车规级IGBT模块封装趋势.docx
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，更高的可匏性及其更低的成本。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。上面图中这些参数用软件一顿计算，可知道什么样的PN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。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。带pinfin产品能力提升大约30V40耻匕例，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，大家还此相当谨慎，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。在这条线上的DCIPhi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。（De1.phi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。其中一个优势一一免除所有键合线：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。3、D1.B或C1.iP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c1.ip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。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，大而积银烧结技术走的更快，但银音贵，在成本上控制不住，收益不明显，有条件不如加大芯片面积。大家乂继续折腾SO1.dering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的宜焊产品图）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：1in1：2in1.：6in1.：A1.1.in1（这里4in1.主逆变器用的少，先不说）下边，挨个捋一下，欢迎识别二维码加入产业链微信群及通讯录。分立器件：典型案例:TeSIaMOdeIX等设计非常经典巧妙，非BT单管夹在散热水道两边，立体式设计节省空间；并且方便登层母排布局，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1in1典型案例一：Tes1.aMode1.3比较新颖的封装形式，1in1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，宜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Mode1.3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。使用时，采用双面水冷典型的夹心饼干散热模式，非常诱人。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。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A1.1.TnT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。双面水冷内部结构：优点:结构紧凑，散热效率高，册封的可靠性高缺点：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：HPDriVePin-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。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WaYC散热底板，在成本和散热性能之间做了折中。A1.1.in1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DiOdC被集成到一个A1.N陶瓷板上，外观上看像一个大的功率模块。三发展趋势1）6in1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拳性尚下功夫改进点：高导热陶瓷材料的应用，例如主流的A1.203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，塑封的半桥模块乂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。3）单面直接水冷封装丹佛斯在PCIMEurope2017上展示的ShoWerPower3D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宜接水冷是显而易见的四、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。为加快产业上下游企业交流，艾邦建有IGBT/SiC产业链交流，欢迎识别二维码加入产业链微信群及通讯录。
