车规级 IGBT 模块封装趋势

车规级 IGBT 模块封装趋势

电动汽车近几年的蓬勃发展带动了功率模块封装技术的更新迭代。各种各样的封装技术追求的目标是更高的功率密度，更高的散热效率，更高的可靠性及其更低的成本。本文梳理一下主流的封装结构，供同行参考。

一散热器概念

1 散热器pinfin概念

pinfin概念是2010年日本H公司提出的，后来在HPD以及SSC的散热器都用到了该结构。

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上面图中这些参数用软件一顿计算，可知道什么样的PIN结构效率更高。有时因为生产工艺的限制，结构再漂亮，不一定生产得出来。

（网图直PIN/danfoss）

后来市面对pin的结构优化也随着制造工艺能力的提升，玩出花来，形状各异不说，还有根据冷却水流向云图来定制的PIN。也有用键合铝带的思路来实现的，好像只有IFX 曾经玩过。

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带pinfin产品能力提升大约30%-40%比例，这个成本比芯片面积减小的收益，结果是让人开心的。

2 DSC概念

DSC概念是在2005年左右由H还是D先提出来的。国内2010年左右也论文爆发，但是落地项目，大家还是相当谨慎，市面上能看到的产品也不多，ON..HW..IFX..DENSO.也有衍生出其他产品。DSC在散热上，上下比例大概也是8-2开，另外一个收益就是杂感有机会降低。

（网图ON DSC）

在这条线上的Delphi也混的不错，器件尺寸能缩到很小，在OBC系统中，体积优势尤其突出。

（Delphi的概念）关于DSC，也有一些证伪的验证，始终无法落地，当他是2.45代吧。如下：芯片上面焊接连接采用预沉积30um厚的铜柱再研磨抛光再做焊接，这对上层互联用的DBC的平面度要求更高，warpage大了，就导致个别凸台无法接触，Vfd的数值比较大，手工件如此，可靠性的测试就没啥人做，数据更少了。其中一个优势——免除所有键合线；晶圆工艺的成本不知道能不能抵得过封装流程简化的成本。

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3 DLB 或clip互联

在芯片表面镀层能可靠焊接之后，大家的想法也更加丰富了；直接将芯片表面与外部电气接口，通过一个clip整体，直接连在一起，gate也有机会如此。这对焊接技术要求很高，良率上不去，成本下不来。

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（网图三菱电机DLB技术产品）

塞米控的SKiN概念，应该是有产品落地，但没机会见过实物。

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这类正面连接的技术路线，不再使用粗铜铝线进行互联，键合设备的需求会降低，贴片设备需求增高。

4 水道直冷焊接技术

随着功率密度不断提高，散热要求越来越高。硅胶、硅脂、碳膜等TIM技术也提升了很多，但还是不够牛逼。接着就开始探索直接焊接或者烧结，大面积银烧结技术走的更快，但银膏贵，在成本上控制不住，收益不明显，有条件不如加大芯片面积。大家又继续折腾soldering焊接技术，用卖材料的兄弟的话说，碰到做IGBT的都在做直焊这个事，也不见谁能突破，多元合金材料也送出去不少，还没见谁有采购的意思。既然难，就不瞎说太多。

（网图 BXX的直焊产品图）

还有其他概念的，如ABB的压接技术，冷焊，激光焊技术。

二模块封装概念

目前汽车厂商主流的几种模块应用解决方案，大概分为以下几种：

分立器件；1 in 1；2in1 ；6in1；All in 1

（这里4in1主逆变器用的少，先不说）下边，挨个捋一下，

分立器件：

典型案例：Tesla Model X等

设计非常经典巧妙，IGBT单管夹在散热水道两边，立体式设计节省空间；并且方便叠层母排布局，减小杂散电感；

优点：成本低，集成度高，通用产品；

缺点：设计复杂，热阻较大，散热效率不高

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1 in 1

典型案例一：Tesla Model 3

比较新颖的封装形式，1 in 1这个名字很奇怪，为什么这种封装看起来像分立器件却被称为模块，直接叫分立器件不就完了。其实这种说法的原因是其采用了模块的封装技术

Model 3 单个小模块包含一个开关，内部两个SiC芯片并联，使用时多个小模块并联

优点：散热效率高，设计布局灵活

缺点：量产工艺要求很高

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典型案例二：德尔福Viper

双面水冷散热Viper让德尔福在小型化上尝到了不少甜头，除了双面水冷之外，这款模块还取消了绑定线设计，提升了循环可靠性。

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使用时，采用双面水冷典型的夹心饼干散热模式，非常诱人。

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2in1 模块

包含两种：

一种是灌胶模块封装，早期应用较多，例如下边这种，工业上也比较常见。

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第二种是塑封，也是国际上有经验的厂商倾向于选择的形式，一方面功率密度较大，便于小型化设计；另一方面具有一定的成本优势。

早期使用单面间接水冷的半桥模块，博世产品上可以看到，后续主要的发展方向是双面水冷和单面直接水冷。

以丰田普锐斯4代PCU为例，摒弃之前的All-in-1结构，采用双面水冷半桥模块“插卡”式结构，设计巧妙的同时，极大提升散热效率，由此提升系统功率密度。

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双面水冷内部结构：

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优点: 结构紧凑，散热效率高，塑封的可靠性高

缺点：没有集成散热绝缘陶瓷，设计时跟散热器之前需要加隔离垫片

6 in 1

目前应用最广泛的模块，尤其是国内汽车厂商，设计相对简单。说到这，不能不提英飞凌的明星产品：HP Drive

Pin-Fin设计直接散热底板，显著提高功率模块散热效率，提高模块的功率密度，再加上模块化设计简单，很快在汽车领域风靡开来。

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优点：设计简单，功率密度高，应用门槛低

缺点：成本高

针对Pin-Fin针翅成本高的问题，模块厂商正在开发低成本的直接水冷板，例如英飞凌的wave散热底板，在成本和散热性能之间做了折中。

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All in 1

典型应用：丰田普锐斯系列

以普锐斯第三代PCU为例，这款电装为丰田定制的功率系统，所有的IGBT和Diode被集成到一个AlN陶瓷板上，外观上看像一个大的功率模块。

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三发展趋势

1） 6 in 1模块

虽然6In1模块对汽车来说并不是最优设计，但由于其设计应用的方便性，在短期内还将占据主流，技术上主要会在散热技术和可靠性尚下功夫

改进点：

高导热陶瓷材料的应用，例如主流的Al2O3陶瓷更新Si3N4陶瓷
高可靠材料底板的应用，例如高机械性能铝硅碳底板代替铜底板
银烧结技术的使用（Die与DBC、DBC与散热板）
铜绑定线乃至铜带绑定技术

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2）双面水冷封装

双面水冷封装技术的优点一方面提升散热效率，另一方面夹心式的散热系统设计易于拓展，同时，相对于硅胶灌封模块，塑封的半桥模块又具有一定的量产成本优势，相信未来一段时间会成为一个主流方向。

半桥

单管

3）单面直接水冷封装

丹佛斯在PCIM Europe 2017上展示的Shower Power 3D技术，据称比Pin-Fin的散热能力还要优秀。

4）双面直接水冷封装

如日立的插式双面水冷散热，已在奥迪e-tron量产，理论上，这种形式的封装散热效果相对于单面直接水冷是显而易见的

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四小结

汽车对功率模块可靠性、功率密度的高要求，催生车规级模块封装技术的不断进步并量产落地，相信到碳化硅时代，适应于碳化硅的新型封装技术会成为一个新的方向。

文章来源：知乎，汽车功率电子，电驱动Benchmarker。

原文始发于微信公众号（艾邦半导体网）：车规级 IGBT 模块封装趋势

作者li, meiyong

作者 li, meiyong

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