上海电子展|车规级功率器件的封装关键技术及封装可靠性研究进展

在环保和能源可持续发展的背景下，二氧化碳排放问题受到越来越多的关注。新能源汽车凭借其环保性和可持续性的明显优势，正逐步取代传统汽车，呈现出一种不可逆转的发展趋势。为了进一步推动这一进程，国家政府、各省市相继出台各项政策措施，加大对车规级功率器件行业的扶持力度，以加速其发展进程。近年来半导体技术的发展促使车规级功率器件封装技术的发展和进步，在政策和技术的推动下，多种封装形式相继衍生。然而，相比工业应用，车规级功率器件的应用工况更为复杂，对其设计、制造和验证提出了更为严格的高功能安全标准。今天上海电子展小编就来简单聊一聊车规级功率器件的封装关键技术及封装可靠性研究进展。

半导体技术的发展使得芯片的尺寸进一步缩小，给车规级功率器件的封装带来了巨大挑战，国外厂商从结构、制程、技术、工艺、集成化、材料等方面对车规级功率器件进行了全面提升，促使装技术向着更高的功率密度、更紧凑的体积、更优化的驱动电路、更低的系统成本的方向发展。

1、上海电子展浅谈车规级功率器件封装现状及需求

1.1 封装现状

1.1.1 分类

车规级功率器件的封装方案可分为以下两类：多分立器件并联式方案和功率模块式方案，分立器件大多基于标准封装，工艺成熟，成本低，采购周期短，提高了开发设计的适应性和适配性。

功率模块式方案凭借其高功率密度的封装优势又衍生出各具特色的封装方式 ，典型代表有 HybridPACK 封装、EasyPACK 封装、功率集成模块 （PIM）封装和双面散热（DSC）封装。HybridPACK 封装具有高集成度、体积小、质量轻的特点；EasyPACK 封装的特点是简化集成，降低电感，即插即用；PIM 封装将多电路集成到单个模块中，高效、可靠、紧凑；DSC 封装则实现了双面散热且空间利用率高，热性能和可靠性好。

1.1.2 主要应用场景

与燃油汽车相比，新能源汽车功率半导体器件的用量明显增长，广泛应用于车载充电机（OBC）、功率控制单元（PCU）等部件中。

OBC 是实现电网经 AC/DC 转换器为电池组充 电的关键部件。与 PCU 相比 OBC 的功率等级较低， 功率器件产品往往具有体积小、质量轻、功率密度高的优势，一般采用分立式封装和 EasyPACK 封装。

PCU 是实现电池组经 DC/AC 转换器驱动电机的关键部件，功率等级相对较高，因此对其功率器件的功率密度和可靠性提出了更高要求。

1.2 发展方向及需求

针对车规级功率器件的封装设计，很多学者和器件厂商进行了研究，

1.2.1 高功率密度和高工作效率

车规级功率器件影响着整车的充电效率和行驶工况，要具备尽可能高的功率密度和工作效率。若应用第三代宽禁带半导体材料的 SiC MOSFET 和 GaN HEMT 等半导体器件，能使电动汽车的能耗在降低的同时，获得更好的性能和里程表现，并且可以大大缩短能源补给时间，特斯拉、比亚迪、蔚来均已有车型采用了全 SiC 模块主逆变器，且已有几十家车企在 OBC 上采用了 SiC 技术；晶体管外形 （TO）封装的多分立器件并联式方案，通过先进的均流技术可以在性能不变的情况下降低单个器件的电流负担，降低温度并提高效率；Infineon 公司的无引线封装有助于减少导通电阻（Rds,on）和提高载流 能力；ABB 基于堆叠陶瓷基板结构的大电流 SiC 功率模块的 3D 结构，可以更加灵活地控制各电位 信号并将多个半导体并联工作，实现模块的快速开、关切换。

1.2.2 强散热能力和低热阻

大功率混合动力汽车（HEV）/电动汽车（EV） 的使用对电驱动系统的热管理提出了更高要求，要兼具承受较高局部电流和损耗密度的能力，需要提升散热能力、降低热阻。对称设计的双面散热结构可以将模块的散热效率提高一倍，等效芯片的结-壳热阻（Rth,j-c）降低了约 50%，从而大大降低了结温（Tj），提高了热性能和可靠性；集成针翅基板的直接液体冷却（DLC）模块消除了导热硅脂的负 面影响，具有优越的热性能；无基板结构、无衬板结构，如直接芯片键合到母排、衬板直接液体冷却、衬板基板一体化设计、集成液体循环冷却通道等，其设计目标是通过简化模块结构，减少结合层，去除热界面材料（TIM），实现降低热阻抗，降低 Tj，增加热稳定性和可靠性；Infineon 采用了 Pin-Fin 和 DSC 相结合的散热结构以增强模块散热能力；Infineon 采用的扩散焊互连技术可以降低 Rth,j-c 。

1.2.3 低寄生参数

寄生参数包括回路总电感、分布电感和电阻，寄生参数会影响功率器件的开关损耗，功率器件的开关瞬变还会带来一系列器件和封装内部电磁寄生效应问题。Infineon 在 HybridPACK 模块中采用了高 水平电流对称性设计，可以降低杂散电感；Infineon 的 EasyPACK 功率模块通过采用并行化带状线设计，也达到了降低模块杂散电感的目的；一些改进型引线键合结构通过减小换流回路长度、优化功率端子、改进芯片布局方式等思路降低回路寄生电感。

1.2.4 高绝缘能力

功率芯片在使用过程中要避免与外界接触，否则芯片电路将受到空气中的污染或杂质颗粒的腐蚀或影响，导致功率器件电气性能降低甚至使电路失效。在SiC 功率器件内部高电场强度下，电化学腐蚀过程将尤为严重，需要通过采用高强度的顶部封装材料等措施，应对由 SiC 功率器件强内外磁场所带来的高绝缘需求；采用灌封胶进行封装可以提升器件在高温和高压下的电气绝缘能力；绝缘材料在过高的温度下也可能发生老化和性能的下降，合理设计散热结构对提升功率器件的绝缘能力也十分重要；采用塑封功率集成模块可以提高器件的可靠性、抗震性和防尘防水性能；TOSHIBA 的塑封模块式栅注入增强型晶体管(IEGT)器件为了获得更好的绝缘性而采用了高相对漏电起痕指数（CTI）的材料。

1.2.5 高集成度

受到汽车空间和质量的限制，市场已经对功率 器件提出了更高的集成要求。功率模块式方案中无基板模块具有体积、质量和成本方面的优势；ST的 ACEPACKTM SMIT 功率器件顶面可以贴装平面散 热器，实现扁平化设计，进一步节省空间；TOSHIBA 的 iXPLV 封装技术使芯片可以更加紧密地靠近，从而缩小尺寸。

除上述外，还有低成本、采购周期短、耐久性好、便于使用和优化升级等发展需求。对于车规级功率器件的封装设计来说，满足不同应用场景、适应高标准的发展需求、从不同角度综合考虑、达到多维度优化的优佳效果，依然是一个值得研究的复 杂问题。

  电子、通讯领域的高速发展，对于构件的要求逐渐提升，针对光学窗口，晶圆，手机屏幕等核心关键部件的需求也随之增多。

2、上海电子展浅谈封装关键技术

电动化和智能化的发展趋势推动着汽车芯片的需求大幅增加，然而车规级功率器件依旧存在功率处理能力不够强、工作效率不够高、集成度不够高等问题。新型封装形式从器件的封装结构、材料、工艺等角度出发对车规级功率器件进行了优化改进。

2.1 封装结构

2.1.1 DLC 功率模块

DLC 功率模块的封装结构分为平面基板、无基板和集成针翅基板的 DLC 模块。无基板模块具有体积、质量和成本上的优势，若在衬板上集成直接冷却结构，无基板模块的冷却效率和热性能将更加优越。针翅结构消除了导热硅脂的负面影响，导热硅脂的热导率低，往往会占芯片 Rth,j-c的 20%~40%。并且，该结构自身集成散热器设计可相应减小模块和逆变器的体积和质量，提高系统功率密度。但是针翅基板的价格比常规基板高 5 倍，制造针翅基板的工艺难度和成本是其与平面基板相比的劣势之一，还需要不断地研发优化将DLC功率模块集成到不同应用系统外部冷却回路的技术。

2.1.2 改进型引线键合结构

 键合线封装结构存在寄生电感大和模块工作频 率受限的弊端，若通过选用更高耐压器件、减缓开关速度、加入缓冲吸收电路等方法来解决过电压的问题，会增加成本和开关损耗。目前，国内外学者针对该问题提出了几个改进型引线键合结构。

一是减小换流回路长度。针对传统的半桥功率 模块，采用将开关管和反并联二极管放置一起的布 局方式，为了减小环流回路长度。

二是低感母排跨接。李诚瞻等人提出了一种低电感封装的功率模块，通过芯片优化布局设计、采用低感母排取代键合铝线的跨接等措施，使得正负直流端子间的寄生电感比传统结构降低了 33%。

三是带有半刻蚀凹槽的引线框架结构。现有的双面无引脚扁平封装具有集成度高、散热性好的优势，常用于 MOSFET 器件封装。

四是双端源端子结构。具有双端源端子结构的改进方式，采用两对直流端口，缩短等效功率回路长度，为并联芯片提供了对称的换流回路，将功率环路电感降 低至约 7.2 nH，经实验验证可将芯片之间的温差降低超过 50%，实现低寄生电感的同时提高了并联芯片的均流特性。

五是带状线结构。Infineon 在 EasyPACK 2B 功率模块中应用了带状线结构，其单位长度电感相比传统的双线设计更小，DC+和 DC-端子相互靠近并采用多引脚针并联分布，使得换流路径很小化，使得内部寄生电感降低至约 8 nH。

六是集成相变散热结构。尽管改进型引线键合设计从互连结构上克服了键合线结构寄生电感较大的弊端，但其工艺尚不成熟，还需要在不改变整体性能的基础上提高成本效益和可靠性。

2.1.3 无引线键合结构

键合线结构由于键合引线的存在及其二维换流 回路结构布局受限的局限性，难以进一步减小功率模块的寄生电感，并且键合点在多次温度循环后易产生热疲劳，因此无引线设计成为提高车规级功率器件可靠性的研究热点。目前，国内外学者提出的无引线键合结构有以下几类。

一是微柱互连和三明治结构。

二是金属互连结构。

三是直接端子键合。三菱电机推出了直接端子键合技术的车规级功率模块。

2.2 封装材料

要达到封装材料的高水平热设计，关键在于选择热导率高、热膨胀系数（CTE）适配的材料组合， 因此基于热特性选择模块材料是提升热稳定性和寿命的关键。

2.2.1 绝缘衬板

DBC 板由中间层陶瓷及其两侧的铜层组成，目前常用的陶瓷绝缘衬板主要有 Al2O3、AlN、Si3N4 等。

2.2.2 芯片互连

目前芯片互连常用的键合线材料是 Al，虽然 Cu 的导热、导电性能更好，且 CTE 与芯片更接近，但是 Cu 线由于硬度较高，在键合时容易打穿软的 Al 层，而且其键合点也很脆弱，因此采用额外的厚金 属涂层作为电极，或在电极上附着缓冲层是 Cu 线绑定中的常用方法。

2.2.3 基板

功率模块常用的基板材料主要有 AlSiC、Cu 等。Cu 成本低，已普遍用作基板材料，并且可以利用先进的成模技术形成具有紧密针翅形状的散热片。而在高性能功率模块中，底座材料采用 AlSiC 降低衬底接口的应力。

2.2.4 灌封材料

对硅胶等灌封材料来说，工作温度范围和热稳 定性是需要重点考虑的参数，并要通过高低温存储和冲击试验进行检测。三菱电机为防止焊接层退化，将封装材料中的硅凝胶改为硬质树脂再封装成盒式 模块，可以缓解半导体芯片拐角周围的热应变，提高 Al 键合线的疲劳寿命。

2.3 封装工艺

2.3.1 低温银烧结技术

键合线传统的芯片贴装方式有胶粘和焊接，为了解决 HEV/EV 高温下焊层的可靠性问题，且要满足宽禁带半导体耐高温的封装要求，业界逐步应用低温银烧结技术替代传统的焊接工艺。该工艺中的纳米银颗粒烧结成形后的多孔烧结体具有高熔点、高导热、高导电以及高机械强度等特性，且工作温度与焊层熔化温度的比值仅为 0.18。相比传统工艺，银烧结技术可以实现零空洞、低温烧结、高温服役，并且焊接层厚度减少了 60%左右，适合高温器件的互连，满足车规级功率器件的应用需求，是替代传统锡焊技术的主要方向。

2.3.2 瞬态液相扩散焊接

传统焊接工艺形成的金属合金层很薄，而瞬态液相扩散焊接可以通过特殊工艺形成较厚的金属合金层，其熔点高于传统的软焊料。与银烧结工艺相比，该工艺所用时间短，且适合自动化生产，经证实，该工艺可以使功率循环的预期寿命提高 2.5~3 倍。

2.3.3 沉淀硬化

沉淀硬化是一种热处理工艺，可以使合金的硬度升高，将模块的寿命提高10倍。许多车规级功率器件制造商如 Infineon 已将该技术用于功率模块的基板焊接工艺中。

电子、通讯领域的高速发展，对于构件的要求逐渐提升，针对光学窗口，晶圆，手机屏幕等核心关键部件的需求也随之增多。

3、上海电子展浅谈封装可靠性挑战

近年来，随着车规级功率器件封装关键技术的突破，其可靠性问题及相关测试标准开始备受各大厂商和高校的高度关注和重视，已取得较多研究成果，但仍有许多问题值得重视，可作为后续发展的研究重点。

3.1 第三代半导体器件及其封装可靠性评估

以 SiC、GaN 为代表的第三代半导体材料凭借更高开关频率和工作结温等优势得到快速发展，使得电动汽车在降低能耗的同时能够获得更好的性能和里程表现，已经成为用于新能源汽车功率器件的必然趋势。然而，传统 Si 器件的可靠性测试方法和评估流程已不适用于采用新材料和封装体系的器件，具体可分别从 SiC 器件和 GaN 器件的老化参数和老化特性两个角度分析。

3.1.1 SiC 器件

为了充分发挥车规级 SiC 器件的优良特性，现有器件已大量采用纳米银烧结和铜带键合等先进封装技术，造成传统 Si 器件封装老化参数均对其表现出较大的局限性。此外，目前 SiC MOSFET产品的封装技术路线仍以沿用Si器件的为主，造成 SiC 器件由于较大的杨氏模量使得封装平均寿命比 Si 器件短。

此外，SiC 芯片栅氧层工艺远没有 Si 芯片成熟， SiC MOSFET 器件的界面陷阱和氧化层陷阱是限制其广泛应用的重要因素，该特性会导致器件阈值电压升高并增加导通电阻，而高阈值电压和栅偏置又会引起栅失效和测量不准确等问题。

 3.1.2 GaN 器件

针对 GaN 器件，需要相对较高的测量电流才能达到理想的功率循环测试老化监测效果，但若加大测量电流则会引起自发热现象。GaN 器件的动态电阻退化现象则是阻碍其在高压下大规模应用的重要瓶颈。该现象使得 GaN 器件在开/关状 态下，由于器件表面陷阱、异质外延层体陷阱所引起的沟道载流子部分耗尽，会造成器件导通电阻和导通损耗增加。尽管现有商用 GaN 器件采用先进外延设计和制造工艺，但仍不能从根本上解决问题。从老化参数和老化特性角度考虑，传统可靠性测试理论已不适用于采用新材料和封装体系的器件。

3.2 验证标准更新升级

汽车行驶安全与其零部件的可靠性密不可分，为了保证功率器件在汽车领域的安全可靠性，欧洲电力电子中心提出了 AQG-324 标准，包括模块测试、模块特性测试、环境测试、寿命测试等，其各项测试项目可以模拟器件在实际使用过程中受到的各种类型应力、发生的老化等，发现器件封装和芯片存在的薄弱点，达到加速验证器件使用寿命的目的。例如功率循环测试主要考核键合线和焊料层可靠性；环境测试主要考核器件在车辆中的环境适应性；机械振动和机械冲击主要考察在运输过程中对模块各个连接层的影响。此外还有 AEC-Q101 标准 ，该标准是分立半导体元件应用于汽车领域的基本门槛。

然而，随着整车厂商对汽车电子要求的日益提高，车规级功率器件面临着更严酷的环境适应性要求、更长的服役时间以及更低的失效率要求，并且新材料和封装体系器件的应用还可能导致原有失效机理的改变。除此之外，在封装角度，需要针对 SiC 基器件尺寸及结构的改变，增加芯片温度均一性等考核标准，改进热阻测试标准，针对失效机理与 Si 基器件的差异，完善实验条件等考核方案，从而完善 SiC 基器件长期使用可靠性的评价体系。

针对功率器件的温度冲击（TS）、高/低温存储 （HTS/LTS）、高温反偏（HTRB）、高温高湿反偏 （H3TRB）试验等设备，国外厂商主要有 ESPEC、Thermotron 等，国内厂商有广州五所环境仪器有限公司、苏试试验集团等。功率循环测试设备自身可靠性的设计，涉及到多学科的交叉，对测试设备提出了较高要求。国外功率循环测试设备的研制发展较早，以美国 Mentor 和意大利 Alpitronic 为代表，国产设备开发起步晚，华电半导体在测试效率和温度调节等功能上加以改进，然而，除华电功率半导体技术研究院有限公司、西安美泰电气科技有限公司等少数几家公司外，其他公司产品的设计方式多受国外设备影响。

功率循环测试设备如何在测试方法、测量精度、参数监测上取得突破性进展是当前面临的一大挑战。针对 SiC MOSFET 器件的功率循环测试，栅极的弛豫效应和阈值电压漂移现象会影响结温测量的准确性。带有反并联二极管的 SiC MOSFET 模块的结温测量也是行业内需要攻破的一大难题。同时，AQG-324（2021 版）中针对 SiC MOSFET 进行的 DRB 试验项目，对所施加的电压大小、开关频率、电压变化率都提出了较高要求，传统试验设备基本无法达到。因此，需要重点关注新材料和封装体系的结温测试方法、功率循环测试模式和关键参数的影响。

不仅如此，由于面临非常恶劣的环境条件，车规级功率器件的可靠性本就面临着比消费级和工业级更为严苛的考验，需要综合考虑多种因素：环境载荷快速变化；除温度外，湿度、粉尘、盐碱环境，甚至是有害气体侵蚀都是潜在威胁；全寿命周期中无需更换的耐久性要求。因此，车规级功率器件的运行工况复杂，而现有的可靠性测试及相关标准只考虑了单个变量对其影响，但实际工况中威胁车规级功率器件可靠性的是电压、电流、温度、湿度、盐碱度等多应力的综合作用。如何模拟实际工况，综合考虑多应力的耦合作用，全面、加速考核车规级功率器件可靠性也是当前可靠性研究面临的一大挑战。

3.3 准确的结温在线监测

结温是电力电子系统健康管理、可靠性评估和寿命预测的基础，精确的在线结温测量可以提高相应系统的可靠性。目前可行的芯片在线结温测量方法有大电流饱和压降法和热网络模型法。大电流饱和压降法由于电参数校准过程中存在误差，以及测量过程中需解决通态饱和压降的高精度测量和汇流铜板引入附加电阻产生压降的问题，因此热网络模型法是一种更具前景的结温在线监测方法。

大功率模块结温评估的精确性取决于其热网络模型的准确性，合理的瞬态热阻抗测试方案则是建立准确热网络模型的关键。为了满足 HEV/EV 的发展需求，现有电动汽车功率模块都具有结构紧凑和高功率密度的特点，为了很大程度提升功率密度，多芯片并联是 PCU 用功率模块普遍采用的技术方案。然而，多芯片并联器件的热阻测量相对于单芯片更具挑战性，现有瞬态热阻抗测试并未考虑实际工况中各芯片之间的热耦合作用。

4、结语

车规级功率器件的封装关键技术和可靠性研究是一个复杂的问题，上海电子展小编觉得，探索适应市场发展需求的车规级功率器件封装结构，对于推动车规级功率器件的可靠性研究及封装设计的发展和应用具有重要意义。

文章来源：半导体封测之家