我国新能源汽车的关键零部件对外依赖程度较高，特别是在 IGBT 模块芯片方面，与先进国家技术实力相 比，我国还存在明显差距。因此，相关行业人员应深入研究 IGBT 技术，推动 IGBT 技术快速进步，以使我国新能源 汽车真正摆脱外国芯片。先分析新能源汽车产业现状，并指出新能源车用 IGBT 模块封装技术特征，再重点探究技术 的应用与发展，以期为相关行业人员提供参考。
在汽车领域，新能源汽车是未来发展方向，其优势在 于能减少排放量，与我国节能减排的号召相适应。为推动 新能源汽车产业发展，我国制定了许多优惠政策。但分析 我国新能源汽车产业发展情况发现，我国新能源汽车生产 需要采用部分进口零部件，尤其是 IGBT 模块，这是我国 新能源汽车产业发展受限的关键。基于此，相关行业人员 应深入研究新能源车用 IGBT 模块封装技术，以推动 IGBT 技术与新能源汽车产业同步发展。
现阶段在全球节能减排领域，新能源汽车属于重要产 业，其在许多汽车大国得到重点扶持。为促进新能源汽车 产业发展，我国也出台了一系列利好政策，如补贴政策、税 收优惠政策、不限行政策、不限购政策、免费停车政策等。2022 年，我国新能源汽车销量超过 500 万辆，市场处于爆 炸式增长状态，成为新能源汽车产销大国。但我国新能源 汽车的关键零部件对外依赖度较高，特别是在以 IGBT 模 块为主的车用芯片领域，与先进国家相比，我国技术实力 还存在较大差距。在汽车成本中，IGBT 模块占比较大，例 如，国产 A00 级纯电动汽车，其电驱动系统成本占比大约 为 11%， 而在电控系统中，IGBT 模块成本又占比 44%左 右，如图 1 所示。由此可知，IGBT 模块成本大概占据汽车 整体成本的 5%。目前，我国致力于发展 IGBT 技术，以推动 国产新能源汽车真正使用上中国芯片 。
2.1 IGBT 模块
IGBT 模块属于一种模块化半导体产品，其由 2 个部 分组成，即绝缘栅双极型晶体管芯片和续流二极管芯片。通 过封装构成的 IGBT 模块能在许多设备上直接使用，如变 频器设备、UPS 不间断电源设备。IGBT 模块的应用优势较多，其安装便捷、能稳定散热和有效节能。在节能环保理念 深入推进的背景下，IGBT 模块的应用愈发广泛。同时，在 能源变换与传输系统中，IGBT 模块属于核心元件，与 CPU 类似，目前在新能源装备领域应用较多。
2.2 IGBT 模块封装技术
IGBT 模块封装技术主要包括焊接式和压接式 2 类。应用焊接技术时，通常有 2 种形式，即平面封装和引线键 合互联。底板也有 2 种功能，其一是对上部模块起到支撑 的功能，其二是在运动情况下起到支持上部模块散热的功 能。底板主要安装在最底部，其四周连接两侧与外壳，具有 保护内部构件的作用。同时，电极、基板与内部半导体芯片 之间以焊接形式相连，待电极上部与外部连接完成后，可 在内部倒入硅凝胶，发挥隔绝空气的作用，以免内部半导 体暴露在空气中而受到腐蚀。此外，加入硅凝胶还能实现 抗震效果。由于在单片功率芯片的情况下，汽车能源需求难 以满足，所以通常会采用并联多个芯片的方式，将其放置 在同一基板上，再通过并联多个基板的方式，以提高功率、 扩大容量。
与传统汽车相比，新能源汽车在驱动方式上存在较大 不同，其主要包括电动驱动、混合动力驱动、燃料与电力融 合驱动 3 种驱动方式。新能源汽车无论是在功率密度方面， 还是在驱动效率方面，都具有较高要求。首先，在新能源汽 车运行过程中，尤其是启动频次较多的情况下，流过 IGBT 模块的电流会急剧增长，产生较高的温度。同时，在新能源 汽车放置较长时间后将其启动，IGBT 模块温度也会出现 变化，进而影响其使用寿命。其次，当启动驱动方式主要为 永磁同步驱动的新能源汽车时，会难免发生电机堵转的问 题，流经 IGBT 模块的电流也会急剧增长，在局部位置形 成高温，因而要求具备较高的散热能力。再次，新能源汽车 运行在凹凸不平的道路上会出现颠簸，此时 IGBT 模块会 受到振动，所以新能源汽车在引线端子上也有较高要求， 要求其具备良好的机械性能。最后，新能源汽车的车身尺 寸是固定的，而在固定尺寸要求下，不仅要保证 IGBT模块 功能，也要保证其质量，需要在此基础上逐渐加大功率密 度，尽可能降低空间占用 。
在 IGBT 模块生产中，封装技术较为关键。模块封装 是在集成半导体分立器件的基础上，在模块内部完成封装， 并实现多种功能，包括机械支撑、散热通路以及外部环境 保护等。IGBT 模块内部通常包含半导体芯片、散热基板、 键合线、功率引出端子、焊接层以及封装管壳等多层结构 材料。为提高电流承载能力，半导体芯片往往以并联形式 连接，并基于引线键合的方式在芯片上表面实现电气互连， 基于焊接的方式使芯片下表面与绝缘陶瓷衬板相连。典型 焊接式 IGBT 模块结构如图 2 所示。
有关研究证实，当 IGBT 模块处于高温、高压状态时， 芯片表面键合线与焊层内部较易产生疲劳失效。通常情况 下，1 个 IGBT 模块从生产到投入市场要经过 9 道工艺，包 括贴片、焊接、等离子清洗、键合等。其中，封装技术的重点 在于焊接与键合。
3.1 焊接技术
为使 IGBT 模块具备较强的导热性能，在焊接芯片与 DBC 基板时，应确保焊接质量。目前，软钎焊接属于主流 技术，而未来预计将发展为低温连接技术。
3.1.1 软钎焊接技术
在 IGBT 模块的封装过程中，软钎焊接技术被广泛采 用。这项技术主要利用真空回流焊接技术连接各种电气元 件，如半导体芯片、陶瓷衬板和基板等。在软钎焊接过程 中，常用的焊料包括 AnSn、SnPb、PbSnAg 等，焊料可以以 焊膏或焊片的形式使用。使用焊膏焊接时，需要使用助焊 剂，并在焊接完成后进行清洗处理，这种方式容易受到潮 湿环境的影响。相比之下，使用焊片焊接通常无需助焊剂， 焊接完成后也不需要清洗，焊层更均匀，但这种方法所需 的焊接设备较为复杂，焊接时需要使用特制的夹具来定位 焊片和焊接件。现阶段软钎焊接技术发展趋于成熟，在模 块封装过程的应用较为广泛。但与进口模块相比，国产模 块在一致性与可靠性上还存在一定差距，这也是国产新能 源汽车企业不使用国产模块的根本所在。
3.1.2 低温连接技术
SiC 模块出现后对焊接技术的要求更严格，需要有效 提高焊接工艺可靠性，所以开始运用低温连接技术，其代表 工艺为银烧结工艺。与软钎焊接技术相比，该技术具有显 著的应用优势。应用低温连接技术时，其连接层具有 2 个 特性，即较高热导率和电导率。以银为例，由于银的熔点在 900 ℃以上，所以针对银烧结层，最高工作温度可控制在 700 ℃左右。与普通焊层相比，银烧结层厚度较薄，仅为普 通焊层的 50%～80%左右，而且与普通软钎焊层相比，银烧 结层的电导率、热导率更高，高出 5 倍左右，所以银烧结层 既具有良好的功率循环能力，也具有良好的温度循环能力。但这项技术的实施难度较大，加之设备、银粉成本较高，需 要精确设定工艺参数，因而阻碍着技术商业化发展进程。国外先进汽车企业（如英飞凌、三菱）已在部分 IGBT 模块焊接过程运用低温银烧结工艺，我国目前也在努力实现 低温连接技术的规模化应用 。
3.2 键合技术
IGBT 模块内部存在许多并联连接的芯片，其上方发 射级与二极管芯片阳极连接，两者连接方式以引线键合为 主。同时，半导体芯片、绝缘衬板以及个别功率端子的连接 也采用键合线形式，并通过引线键合作用形成完整的电路 结构。因此，在 IGBT 模块电流回路中，键合线尤为关键， 其能起到有效连接的作用。现阶段 IGBT 模块内部的键合 线种类较多，包括铜线、铝线、铝包铜心线等。
3.2.1 铝线键合
铝线键合工艺的应用较为广泛，其根本原因在于应用 成本较低，这也是铝线键合工艺的突出优势。但铝线也存 在不足之处，如热学特性较差、导电性能较差等，尤其在热 碰撞性能上，铝线与半导体芯片之间难以匹配，会出现热 应力聚集，导致键合线开裂和 IGBT 模块失效。通过优化 铝键合线形状、完善键合工艺参数等方式，能提升 IGBT 模块的可靠性，但提升程度也受限。将铝键合线模块应用 于部分高功率新能源车辆电驱动系统中，通常难以满足要 求。目前，铝线键合工艺已在我国模块封装中使用，与国外 工艺相比，并未出现明显的技术差距。
3.2.2 铜线键合
与铝线相比，铜线的力学特性、热学特性以及电学特 性更优。基于铜线键合方式，可使键合工艺的可靠性更强， 尤其是在功率密度较高、散热效率较高的功率模块上采用 铜线键合方式，能显著提升功率循环能力。因此，其在未来 有望成为典型技术形式。铝线键合性能与铜线键合性能之 间的区别如表 1 所列。
由表 1 可知，与铝线相比，铜线的功率循环能力能高出10 倍左右，但因半导体芯片表面的金属化层会对铜线 键合的应用造成影响，铜键合线无法与以铝金属化层为基 础的半导体芯片良好匹配。为使半导体芯片表面适应铜线 键合，往往要采取铜金属化处理措施，如运用化学电镀方 式、物理气相沉积方式等来实现，这增加了工艺的复杂性。同时，与铝相比，铜的硬度和杨氏模量都较大，为保证键合 效果，对超声能量的要求更高，而这难免损伤超薄型 IGBT 芯片，甚至可能导致芯片内部的元胞结构直接被损坏。目 前，铜线键合技术已在国外部分汽车企业的高性能模块中 使用，而我国主要应用功率较低、性能较低的模块，并未广 泛使用铜线键合工艺。因此，为推动国产模块性能高质量 发展，应攻克键合技术难点问题，将国外先进技术壁垒打破 。
通过分析模块封装工艺的 2 大关键技术（即焊接技术 与键合技术）可知，在目前的 IGBT 模块领域中，我国模块 封装企业在技术上还存在一定不足。在国产模块的制造过 程中，由于难以实现对质量的有效控制，国产模块无论是 一致性还是可靠性都较差。只有在 A00 级纯电动车这种低 端汽车生产中，才会选择国产模块，而高端新能源汽车，目 前对国产模块并不信任。因此，现阶段一方面应优化IGBT 模块制造工艺，采用先进技术，如离子注入技术、精细光刻 技术等，通过缩小芯片尺寸、硅片尺寸，促进硅片切割利用 率提升，降低 IGBT 模块制造成本；另一方面应优化模块 封装技术，在芯片技术成熟发展的背景下，芯片工作温度 会逐渐升高、热功率密度会逐渐加大，所以需要不断改进 IGBT 模块封装技术，以提升芯片焊接的可靠性，降低热阻。例如，无绑定线键合、双面冷却、集成电流与温度传感器 等不仅能提高 IGBT 模块的功率循环频次，还能有效降低 引线电感。
为突破销量，我国模块封装产业还应努力积累技术实 力，在深入研究新能源车用 IGBT 模块封装技术的基础上， 生产性能更高的 IGBT 模块。同时，我国新能源汽车企业 也应信任、支持国产模块。对于模块封装企业而言，应掌握 模块封装焊接技术、键合技术，推动自身转型，实现高端化 发展。
