半导体“功率模块（IPM）封装工艺技术”的详解
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上个章节讲到的关于《半导体功率模块（IPM）封装创新趋势分析》后，应好几位业内朋友的建议，让分享一下功率模块（IPM）后段封装工艺技术的干货知识，因此本章节主要跟大家分享的就是这部分内容了，欢迎同行和有兴趣的朋友一起交流探讨哦。
一、功率模块（IPM）封装工艺技术的分类
做过市场调研分析的朋友们应该知道：当前市场流通的功率模块（IPM），依据封装工艺特点与应用场景差异，主要可划分为三大类别，各类别在技术路线、结构设计及适用领域上均呈现显著特色。
1、智能功率模块（IPM）
这类模块核心采用塑封多芯片集成设计思路，能够将 IGBT（绝缘栅双极型晶体管）、FRD（快恢复二极管）、高低压 IC（集成电路），甚至包括电容、电阻等被动元器件，高度集成并封装在单一封装体内。其工艺研发以功率分立器件的传统封装设计逻辑为基础，生产流程涵盖引线框架预处理、DBC（直接覆铜基板）基板贴合、焊料装片固定芯片、金铝线混合键合实现电路互联，以及最终的塑封成型等关键步骤。从应用场景来看，由于其集成度与功率输出特性适配，主要面向白电设备（如空调、冰箱的变频控制单元）、消费电子产品（如高端电源适配器），以及部分对功率需求较低的工业控制场景（如小型电机驱动系统）。
另外，智能功率模块（IPM）的封装工艺并非单一固定路线，根据芯片固定方式、基板类型及应用功率等级的不同，主要可细分为以下三类具体技术方案，各类方案在工艺细节与适用场景上各有侧重，对应的封装路线如下图所示（分为纯框架银胶装片类、纯框架软钎焊和银胶混合装片类以及焊料装片 DBC 类三种）：
a. 纯框架银胶装片类
该工艺路线源于传统 IC 封装技术的延伸与优化，核心流程包括引线框架清洗、银胶点涂、芯片贴装、银胶烘干固化、铜线键合互联，以及最终的全塑封成型。其中，银胶的作用是实现芯片与框架的可靠固定，铜线键合则负责芯片与框架引脚之间的电路连接，全塑封工艺采用耐高温、耐湿热的环氧树脂材料，为模块提供全方位的环境防护。该类工艺技术成熟度高，生产流程稳定，良率控制难度较低，但受限于银胶导热性能与铜线载流能力，制成的 IPM 模块功率等级相对较低，主要应用于小功率场景，如家电设备的电源模块（如洗衣机电源控制单元）、小型水泵的调速变频控制系统等。
b. 纯框架软钎焊与银胶混合装片类
与纯框架银胶装片类相比，该工艺路线在结构上增加了陶瓷散热片，以提升模块的散热能力，从而适配更高功率需求；内互联环节则根据芯片类型差异采用差异化设计，功率芯片采用粗铝线键合（粗铝线具备更高的载流能力，可满足功率芯片的大电流传输需求），控制芯片则采用金铜线键合（金铜线的导电性能更优，且具备良好的抗氧化性，适合控制信号的稳定传输）。基于上述设计特点，该类模块的功率输出能力显著提升，可覆盖大多数白电设备的变频调控需求，如空调压缩机的变频驱动、冰箱变频控制系统等。
该类功率模块（IPM）的封装路线如上图所示（以某半导体企业 SPM 生产流程为例）。从具体工艺细节来看，该方案的核心特点体现在芯片贴装与散热片安装两个关键环节：芯片贴装分为控制芯片与功率芯片两步进行，控制芯片采用传统点银胶工艺固定，银胶烘干温度约为 100℃，而功率芯片则采用软钎焊工艺固定，软钎焊的热机温度高达 350℃，由于两种工艺的温度差异较大，为避免高温对已贴装的控制芯片造成损伤，通常会优先完成功率芯片的软钎焊装片；陶瓷散热片的安装则采用硅胶黏结工艺，具体流程为在框架指定位置点涂硅胶、放置陶瓷散热片、加压烘干固化，该环节的工艺难点主要集中在三个方面：
一是硅胶涂布的均匀性控制，若涂布不均会导致散热片与框架贴合间隙不一致，影响散热效果；
二是加热与加压参数的精准调控，需通过优化温度曲线与压力大小，确保硅胶充分固化，同时实现散热片与框架的可靠贴合（只有紧密贴合才能最大化散热效率）；
三是硅胶层厚度的严格把控，厚度过大会导致后续塑封工艺中，塑封料压力将陶瓷散热片压裂，厚度过小则会造成塑封料溢料覆盖散热片表面，阻碍热量传导。为解决溢料问题，在塑封工艺完成后，需额外增设一道激光去溢料工序，通过激光精准去除覆盖在散热片表面的多余塑封料。
在键合工艺环节，夹具设计也存在特殊要求：由于粗铝线的刚度相对较高，在后续生产过程中的物料传动环节不易发生倒伏，因此需优先完成粗铝线的键合；而金铜线键合所使用的压板，需避开已完成键合的粗铝线区域，避免压板与铝线发生碰撞导致铝线变形或断裂，因此需将金铜线的打线区域抬高设计，这一设计要求需在引线框架的前期设计阶段提前考量，确保框架结构与键合工艺需求匹配。
c. 焊料装片 DBC 类
该工艺路线的核心创新点在于采用 DBC 基板作为芯片承载与电路互联的核心载体，DBC 基板兼具优异的导热性能、良好的绝缘性能与可靠的机械强度，能够同时满足功率器件的内互联需求、导热散热需求与安规绝缘需求，因此该方案尤其适用于大功率应用场景，是功率模块封装技术发展过程中的重要里程碑。
该类功率模块（ IPM） 的封装路线如下图所示。从工艺流程来看，焊料装片 DBC 类功率模块（ IPM）模块的生产整合了多项先进技术：首先，采用 SMT（表面贴装技术）将功率芯片与被动元器件（如电容、电阻）精准贴装在 DBC 基板指定位置；其次，通过焊料回流焊工艺实现芯片、被动元器件与 DBC 基板的可靠固定；随后，采用粗铝线键合工艺完成芯片与 DBC 基板铜层之间的电路互联；同时，设计抬高式引线框架结构，用于安装控制芯片，实现控制电路与功率电路的隔离与连接。这种设计不仅大幅提升了芯片集成度，还能通过控制芯片实现功率的智能化分配与管理，美国某半导体企业将此类模块命名为智能功率模块（SPM，Smart Power Module），以区别于传统功率模块（ IPM）。
与前两类功率模块（ IPM）工艺相比，焊料装片 DBC 类工艺的复杂性有所降低，更多借鉴了传统 EMS（电子制造服务）行业的电路板安装技术，如焊膏印刷、元器件贴片、回流焊、基板清洗等成熟工序，有助于提升生产效率与工艺稳定性。不过，该工艺在回流焊环节面临一项关键技术挑战 —— 引线框架、DBC 基板与回流焊夹具三者的热吸收特性与热膨胀系数存在差异，在回流焊高温环境下，三者的热变形量不同，易导致封装材料发生位移，进而引发模块尺寸波动。为解决这一问题，在回流焊夹具设计过程中，需通过仿真计算分析三者的热变形规律，合理设计夹具的锁紧结构：若锁紧力度过大会导致材料热膨胀时产生的热应力无法释放，引发引线框架变形翘曲；若锁紧力度不足则无法有效固定封装材料，导致尺寸波动超出允许范围。因此，需通过大量实验验证，确定夹具的最优设计参数，以保障生产良率。
该类模块的后续工序（如塑封、切筋、测试等）与前述两类功率模块（ IPM）基本一致，但由于采用塑封工艺，模块尺寸波动对塑封模具的适配性影响极大，尤其是引线框架厚度方向的尺寸变化，若超出模具允许公差，会导致塑封料填充不均、模块表面出现气泡或裂纹等缺陷，因此在生产过程中，需重点控制框架厚度等关键尺寸的波动范围。
2、灌胶盒封大功率模块
灌胶盒封大功率模块的封装路线如下图所示（下图为典型的灌胶盒封模块工艺过程，涵盖从基板预处理到最终测试的全流程，详细标注了内互联键合、灌胶固化、外壳装配等关键工序的位置与操作要点）。其生产流程涵盖多个关键环节，其中内互联键合工序的设置需根据模块的设计需求与性能目标灵活调整：若模块采用铜片（部分行业也称为铜夹）内互联技术，通过铜片直接实现芯片与基板、芯片与芯片之间的电路连接，则无需额外设置内互联键合工序；但在两种情况下需保留内互联键合工序：
一是芯片栅极尺寸极小，无法通过铜片实现可靠连接，需采用细铝线键合工艺完成栅极与控制电路的连接；
二是出于成本控制或生产灵活性考虑，未采用铜片工艺，源极区域仍采用粗铝线键合实现电流传输。
从性能对比来看，铝线键合方案的封装内阻相对较高，导热性能也不及铜片内互联方案，因此在对功率损耗与散热性能要求严苛的大功率应用场景中，应尽量避免采用铝线键合；但铜片内互联技术也存在明显局限性：一方面，铜片的制造需根据芯片尺寸、焊盘规格及电路布局进行定制化设计与加工，无法实现通用化生产，导致生产灵活性不足；另一方面，铜片与芯片的连接通常采用焊膏回流焊工艺，而芯片表面若为纯铝材质，其可焊性较差，需额外进行电镀镍钯金处理，以提升芯片表面的可焊性，这不仅增加了工艺步骤，还提高了生产成本。基于上述因素，在封装内阻对模块性能影响不突出、散热需求相对宽松的场景中，铝线键合工艺仍被广泛采用。
为进一步优化内互联性能，行业内还开发了粗铜线键合技术，利用铜材低电阻率、高导热系数的特性，在保留键合工艺灵活性的同时，提升模块的导电与散热性能，该技术已在部分中大功率模块封装中逐步推广应用。
除传统灌胶盒封工艺外，部分企业为提升模块的功率循环可靠性（功率循环可靠性指模块在反复加热与冷却过程中的性能稳定性，是衡量模块寿命的关键指标），开发了盒装塑封工艺。该工艺与传统灌胶盒封工艺的核心区别在于，以塑封工艺替代灌胶工艺实现模块的环境防护，塑封料具备更优异的机械强度与环境适应性，可显著提升模块的抗冲击能力与长期可靠性。
不过，盒装塑封工艺面临的核心技术难点是功能端子的安装：模块的功能端子通常长度较长，传统灌胶工艺中，端子采用机械式压接方式插入 DBC 基板焊接的端子基座内，安装难度较低；而采用塑封工艺后，端子尺寸波动会对后续测试环节的端子接触可靠性产生直接影响（若端子尺寸偏差过大，会导致测试探针无法与端子可靠接触，影响测试结果准确性）。同时，塑封过程中施加的压力会对塑料盒体的材质选择与盒盖的密封性提出更高要求：若盒体材质强度不足，易在塑封压力作用下发生变形；若盒盖与盒体的密封结构设计不合理，塑封料可能渗入盒体内部，导致模块失效。因此，要实现盒装塑封工艺的成熟稳定量产，需投入大量资源研究各工序（如端子加工、盒体成型、塑封成型）带来的尺寸波动规律，通过优选塑封料（需具备良好的流动性、耐高温性与绝缘性）、盒体材质（需具备高强度、低翘曲特性）、盒盖密封结构，制定合理的工艺参数，才能有效控制缺陷率，保障生产良率与模块可靠性。双面散热塑封功率模块封装工艺线路如下图所示。
3、双面散热塑封功率模块
双面散热塑封功率模块是在盒装塑封工艺基础上开发的升级方案，其核心设计创新在于电路拓扑与散热结构的优化：电路拓扑采用半桥单模块设计，即单个模块集成半桥电路的全部功能，通过三个此类模块的组合，即可构建出全桥三相调控系统，满足电机驱动等大功率应用的需求。
在结构设计上，该类模块采用双面 DBC 基板与铜柱组合的架构，双面 DBC 基板分别位于模块的上下两侧，铜柱则用于连接上下两层 DBC 基板，并实现芯片与基板之间的支撑与导电；内互联环节可根据性能需求选择键合工艺（如铜线键合、铝线键合）或铜片内互联工艺；最终通过塑封工艺将整个结构封装成型，塑封过程中严格控制模块厚度，确保制成的模块整体纤薄，便于安装与集成。
从性能优势来看，双面散热塑封功率模块具备多项突出特点：
一是电路拓扑简洁，三个模块即可实现全桥三相调控，简化了系统设计与组装流程；
二是可靠性高，塑封工艺与双面 DBC 基板的组合，大幅提升了模块的环境适应性与抗冲击能力；
三是功率密度大，纤薄的结构设计与高度集成化，使得模块在单位体积内可实现更高的功率输出；
四是散热性能优异，双面散热结构可同时通过上下两个方向散出热量，散热效率远高于传统单面向散热模块；
五是安装便捷，纤薄的外形设计便于模块在有限空间内安装，降低了系统集成难度。
因此，功率模块（IPM）封装技术通过银胶、软钎焊、焊料装片等工艺实现不同功率需求的适配，其中焊料装片DBC类因高集成度和散热性能成为主流选择，而灌胶盒封技术则针对SiC等特殊材料进行优化。
二、功率模块（IPM）的封装工艺流程
在现代电子产品的设计与制造中，集成电路(IC)封装技术扮演着至关重要的角色。尤其是功率模块（IPM）的封装工艺，更是对提升电气性能和可靠性有着直接影响，因此功率模块（IPM）的封装工艺就显得尤为重要。以下就是给大家详细解读功率模块（IPM）的封装工艺流程，帮助大家更深入地了解这一技术领域。
1、设计阶段
封装工艺的第一步是设计。根据功率模块（IPM）的功能需求，工程师将确定封装的形状、大小以及引脚布局等。这一阶段需要综合考虑电气性能、散热管理及制造成本。
2、材料选择
封装材料的选择对功率模块（IPM）的性能至关重要。常用的材料包括环氧树脂、陶瓷和金属等。这些材料不仅要具备良好的绝缘性和耐热性，还需满足环境友好的标准。
3、芯片准备
在封装前，首先需要对芯片进行测试和筛选，确保其性能符合标准。合格的芯片将被转移到后续的封装流程中。
4、焊接
焊接是功率模块（IPM）封装中一个关键的环节。通常采用表面贴装技术(SMT)或引线框架焊接，确保芯片与基板的良好连接。这一过程要求高精度的设备和技术，以避免焊接缺陷。
5、封装成型
焊接完成后，接下来就是封装成型。这一过程通过将封装材料加热、固化，使其与芯片紧密结合，形成保护层，从而提高其抗外界环境影响的能力。
6、测试与检验
封装完成后，功率模块（IPM）需经过严格的测试与检验，确保其在电气性能和机械强度上的符合性。这包括高低温测试、耐压测试及功能测试等，以保证模块在实际应用中的可靠性。
7、标识与包装
最后，合格的功率模块（IPM）会被标识并进行包装，准备出货。包装过程不仅是为了保护产品，同时也便于后续的储存与运输。
功率模块（IPM）的封装工艺流程涉及多个环节，每一个细节都关系到最终产品的性能与可靠性。随着科技的不断进步，封装技术也在不断创新，以满足日益增长的市场需求。了解这一流程，不仅能够帮助企业提高生产效率，还能在激烈的市场竞争中占据一席之地。
三、功率模块（IPM）的内部功能机制
功率模块（IPM）内置的驱动和保护电路使系统硬件电路简单、可靠，缩短了系统开发时间，也提高了故障下的自保护能力。与普通的IGBT模块相比，功率模块（IPM）在系统性能及可靠性方面都有进一步的提高。
保护电路可以实现控制电压欠压保护、过热保护、过流保护和短路保护。如果IPM模块中有一种保护电路动作，IGBT栅极驱动单元就会关断门极电流并输出一个故障信号(FO)。各种保护功能具体如下:
1、控制电压欠压保护(UV)
功率模块（IPM）使用单一的+15V供电，若供电电压低于12．5V，且时间超过toff=10ms，发生欠压保护，封锁门极驱动电路，输出故障信号。
2、过温保护(OT)
在靠近IGBT芯片的绝缘基板上安装了一个温度传感器，当功率模块（IPM）温度传感器测出其基板的温度超过温度值时，发生过温保护，封锁门极驱动电路，输出故障信号。
3、过流保护(OC)
若流过IGBT的电流值超过过流动作电流，且时间超过toff，则发生过流保护，封锁门极驱动电路，输出故障信号。为避免发生过大的di/dt，大多数功率模块（IPM）采用两级关断模式。其中，VG为内部门极驱动电压，ISC为短路电流值，IOC为过流电流值，IC为集电极电流，IFO为故障输出电流。
4、短路保护(SC)
若负载发生短路或控制系统故障导致短路，流过IGBT的电流值超过短路动作电流，则立刻发生短路保护，封锁门极驱动电路，输出故障信号。跟过流保护一样，为避免发生过大的di/dt，大多数IPM采用两级关断模式。为缩短过流保护的电流检测和故障动作间的响应时间，功率模块（IPM）内部使用实时电流控制电路(RTC)，使响应时间小于100ns，从而有效抑制了电流和功率峰值，提高了保护效果。
当IPM发生UV、OC、OT、SC中任一故障时，其故障输出信号持续时间tFO为1．8ms(SC持续时间会长一些)，此时间内IPM会封锁门极驱动，关断功率模块（IPM）;故障输出信号持续时间结束后，功率模块（IPM）内部自动复位，门极驱动通道开放。
可以看出，器件自身产生的故障信号是非保持性的，如果tFO结束后故障源仍旧没有排除，功率模块（IPM）就会重复自动保护的过程，反复动作。过流、短路、过热保护动作都是非常恶劣的运行状况，应避免其反复动作，因此仅靠功率模块（IPM）内部保护电路还不能完全实现器件的自我保护。要使系统真正安全、可靠运行，需要辅助的外围保护电路。
四、功率模块（IPM）封装工艺技术的介绍
以下就是本章节要跟大家重点分享的关于功率模块（IPM）封装工艺技术介绍相关的内容，如有遗漏或是不足之前，还请大家海涵：
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五、功率模块（IPM）的技术原理
功率模块（IPM）是一种先进的功率开关器件，它将功率开关器件和驱动电路集成在一起，并内置了过电压、过电流和过热等故障检测电路。功率模块（IPM）的核心部件是高速、低功耗的IGBT（绝缘栅双极型晶体管）芯片，这种芯片结合了GTR（大功率晶体管）的高电流密度、低饱和电压和耐高压的优点，以及MOSFET（场效应晶体管）的高输入阻抗、高开关频率和低驱动功率的优点。
功率模块（IPM）的内部结构包括IGBT芯片、优化的门级驱动电路以及快速保护电路。IGBT由MOSFET驱动GTR，因此兼具两者的优点。功率模块（IPM）根据内部功率电路配置的不同，可分为H型（内部封装一个IGBT）、D型（内部封装两个IGBT）、C型（内部封装六个IGBT）和R型（内部封装七个IGBT），如下图所示。小功率的功率模块（IPM）使用多层环氧绝缘系统，而中大功率的功率模块（IPM）则使用陶瓷绝缘。
功率模块（IPM）的驱动电路是主电路和控制电路之间的接口，其设计对装置的运行效率、可靠性和安全性至关重要。IGBT的栅极耐压一般在±20V左右，因此驱动电路输出端需要给栅极加电压保护。同时，由于MOSFET存在输入电容Cin，开关过程中需要对电容充放电，因此驱动电路的输出电流应足够大。此外，为可靠关闭IGBT，防止擎住现象，最好采用双电源供电。
另外，功率模块（IPM）的保护电路是其另一大亮点，可以实现控制电压欠压保护、过热保护、过流保护和短路保护。当功率模块（IPM）发生任一故障时，其故障输出信号会封锁门极驱动，关断功率模块（IPM），并在故障输出信号持续时间结束后自动复位。这种自保护能力大大降低了器件在开发和使用中损坏的机会。
同时，功率模块（IPM）的开关速度快、功耗低，并且具有快速的过流保护和过热保护能力。这些特点使得功率模块（IPM）在电力电子领域得到了广泛的应用，特别是在需要高可靠性和高效率的场合，如变频器、电动汽车、智能家居和工业自动化等领域。
综上所述，功率模块（IPM）是先进的混合集成功率器件,由高速,低功耗的IGBT芯片和优化的栅极驱动电路及多种保护电路集成在同一模块内.与普通的IGBT相比,功率模块（IPM）在系统性能和可靠性上均有进一步提高,而且由于功率模块（IPM）的通态损耗和开关损耗都比较低,散热器的尺寸小,故整个系统的尺寸更小.而且功率模块（IPM）内部集成了逻辑,控制,检测和保护电路,使用起来方便,不仅减少了系统的体积以及开发时间,也大大增强了系统的可靠性。
六、功率模块（IPM）的技术趋势
因为功率模块（IPM）是指集成驱动和保护电路到单个封装的模块化方案，较分立方案减少占板空间，提升系统可靠性，简化设计和加速产品面市时间。现市场上有半导体企业凭借领先的硅和封装技术，提供同类最佳的功率模块（IPM），产品阵容覆盖20 W到10 KW不同功率等级，应用于工业、汽车和消费等应用，具有显著的能效、尺寸、成本、可靠性等优势。
根据具体应用需求，功率模块（IPM）可采用各种不同的晶圆技术如平面MOSFET、超结、场截止IGBT、碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)等，以及封装技术如扁平无引脚(QFN)、全塑(Full pack)、陶瓷基板、AI2O3、氮化铝(AIN)、绝缘金属基板技术(IMST)、直接键合铜(DBC)、单列直插(SIP)、二合一（PFC + 变频器INVERTER）等，以尽量减小热阻，降低导通损耗和开关损耗，同时确保高集成度、高开关速度、高能效、高可靠性和出色的EMI性能。
当前，工业功率模块（IPM）主要应用于工业压缩机、泵、可变频驱动、电动工具等。预计此类市场未来3年的复合年增率(CAGR)为5.1%，增长较快，这主要归结于人工成本的不断上涨导致企业实现自动化的需求日趋强烈，而各项能源法规及测试标准如ErP、IEC、GB3等对能效的要求日趋严格。
总之，一些专注于高功率领域如空调(HVAC)、汽车、工业级等功率模块（IPM），通过领先的硅技术和优化的封装，针对每一应用提供适当的功率模块（IPM）方案，确保高集成度、高功率密度、出色的热性能、优化的导通损耗和开关损耗、优异的耐用性，尤其是封装具有更大爬电距离/间隙，适用于高电压应用。
七、功率模块（IPM）的应用
功率模块（IPM）在众多领域中展现了其重要的应用价值：
1、工业自动化
在工业驱动系统中，功率模块（IPM）可以实现高效的电机控制，提高生产效率，减少能耗。
2、电动汽车
功率模块（IPM）在电动汽车的动力系统中起着至关重要的作用，能够有效实现电能的转换和分配，提升整车的性能和续航里程。
3、可再生能源
在光伏和风能系统中，功率模块（IPM）的高效性和可靠性使其成为逆变器的核心组件，有助于提高可再生能源的利用率。
4、家电产品
在空调、冰箱等家电中，功率模块（IPM）用于电机控制和能量管理，提升产品的能效和使用体验。
八、总结一下
随着技术的不断进步，智能功率模块（IPM）在电力电子领域的应用将愈加广泛。通过合理的分类及其在各个领域的应用，功率模块（IPM）不仅提高了设备的性能和效率，同时也推动了可持续发展的进程。未来，随着电力电子技术的不断创新，功率模块（IPM）有望在更多新兴领域中发挥重要作用，为绿色能源和智能制造提供更强有力的支持。
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