电力电子集成模块的封装结构与互连方式的研究现状

　　摘要：分析了传统大功率电力电子器件普遍采用的封装结构和互连方式存在的问题，对目前电力电子集成模块集成与封装技术进行了分类和比较，介绍各种新型封装结构与互连方式原理、结构设计方法。

　　关键词：电力电子集成 封装 互连

　　如何使电力电子装置的效率更高、体积更小、重量更轻、成本更低、更加可靠耐用，长期以来一直是各设计、生产者不断努力和追求的方向。解决这一问题最为有效的途径，是采用系统集成的方法使多种电力电子器件组合成为标准化模块，并封装为一体，构成集成电力电子模块。

　　集成电力电子模块既不是某种特殊的半导体器件，也不是一种无源元件。它是按照最优化电路拓扑和系统结构的原则而设计出的包含多种器件的集成组件或模块。除了具备有功率半导体器件外，还包含驱动电路、控制电路、传感器、保护电路、辅助电源及无源元件。

　　集成与封装技术作为电力电子集成模块的一个重点研究方向，主要研究模块的集成和封装工艺。目前已有越来越多的学者认识到，能否真正将集成模块的概念付诸实现，在很大程度上取决于集成和封装的工艺技术。

　　 1、传统封装结构与互连方式存在的主要问题

　　1.1 封装技术是研究电力电子集成模块的核心问题

　　电力电子集成的基本思路可以分成单片集成和多芯片混合集成两种。由于高压、大电流的主电路和其它低压、小电流电路的集成工艺完全不同，还有高压隔离和传热的问题，因此，目前仅在数十瓦的功率范围内实现了单片集成。电力电子集成封装技术的主要发展方向为混合集成，即将不同工艺的硅片封装在一个模块中。

　　混合集成中，首先面临的是集成模块的封装问题。与普通IC不同，集成模块的封装更主要是使模块具备更大的电流承载能力，更高的功率密度和更高效的散热能力。另一方面，对集成模块封装技术的研究是研究与之相关的各类问题的基础和平台。主电路、控制电路等的优化设计与实现，模块内的电磁兼容问题、寄生参数等的分析，控制、传感技术以及高效的散热方式等等，几乎所有相关研究都必须在此基础上展开。

　　具体到封装技术，又涉及模块的封装结构、模块内芯片与基板的互连方式、各类封装材料(导热、填充、绝缘)的选取、制备的工艺流程等许多问题。由于集成模块无论在功能和结构上都与传统IC或功率器件存在巨大差异，因此新型的模块封装结构和与之相适应的引线工艺又是封装技术中重点并且首先需要研究的问题。

　　1．2 传统封装结构与互连方式存在的主要问题

　　传统的电力电子器件或模块，虽然外形封装样式多种多样，但其采用的封装结构形式以平面型为主。然而对于电力电子集成模块，由于隔离和散热等问题，难以将功率芯片、控制芯片等多个不同工艺的硅片采用平面型结构安装在同一块底板上。

　　引线工艺主要解决裸芯片的各电极如何与基板互连的问题。传统电力电子器件采用的互连工艺主要有键合与压接两种方式。前者适用于电流容量为50～600A的器件，由于工艺成熟、成本低，应用较为广泛；后者适用于电流超过500～3000A的器件。然而，这两种互连方式由于其固有的缺陷，均不能简单照搬到电力电子集成模块上。其中压接方式的缺陷主要体现在对管芯、压块、底板等零件平整度要求很高，否则不仅使模块的接触热阻增大，而且会损伤芯片，严重时使芯片碎裂；要保证施加合适的压力，压力过大，会损伤芯片；压力过小，不仅使正向峰值压降、热阻增大，而且会使这两个参数不稳定；由于热应力会使弹簧片等紧固件发生较大的塑性形变，使加在芯片上的压力发生变化，造成正向峰值压降和热阻不稳定；工艺设备复杂，成本，高，壳内零件较多易引起芯片沾污。

　　引线键合技术本身存在诸多技术缺陷表现在：多根引线并联会产生邻近效应，导致同一硅片的键合线之间或同一模块内的不同硅片的键合线之间电流分布不均；由于高频大电流通过互相平行的引线产生电磁场，由此形成的电磁力容易造成引线老化；引线键合工艺的寄生电感很大，会给器件带来较高的开关过电压，形成开关应力；引线本身很细，又普遍采用平面封装结构，传热性能不够好；引线和硅片作为不同的材料，二者热膨胀系数的差异会产生热应力等等。