大功率半导体模块封装进展与展望
王彦刚 罗海辉 肖强
（ 株洲中车时代半导体有限公司 功率半导体与集成技术全国重点实验室）
摘要：
大功率半导体模块的发展进化是电力电子系统升级和产业发展的最关键因素。文章根据功率模块的主要应用领域分类，综述了其产品和封装技术的最新进展，分析了新型模块产品的结构和技术特点；然后提出了当前模块封装面临的技术、成本以及新型应用系统要求等方面的挑战，讨论了向高频、高温、高可靠性、模块化等方向发展的挑战；最后对大功率半导体模块的互连及连接技术、集成化和灌封材料、紧凑封装结构的中长期趋势进行了探讨和展望。
0 引言
功率分立器件和模块是大功率半导体器件的主要产品形式，二者 2021 年的总市场规模为 275 亿美元，占全球半导体市场的 4.95%，预计 2026 年将达到 360 亿美元，年均增长率为 5.5% 左右[1-3]。单管分立器件是功率晶体管、晶闸管、金属氧化物半导体场效应晶体管（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET） 和小功率绝缘栅双极型晶体管 （Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT） 主要的封装形式，它具有工艺简单、成本低、应用灵活等优势，在中小功率应用系统如消费电子、家用电器、工业驱动等领域具有广泛的应用[2]。功率模块是多个芯片并联结构，对封装技术和材料有更高的要求，是中大功率应用 MOSFET 和IGBT 的主要产品形式，在功率密度提升、寄生参数优化、先进技术和材料应用、冷却形式选择、可靠性增强等方面具有较大优势。大功率系统应用对模块需求的持续增加，功率模块对分立器件的市场优势正逐年增大，初步估计到 2026 年，功率模块的销售金额将达到分立器件的 1.6 倍左右[2]。本文将主要讨论大功率 IGBT 模块和宽禁带半导体模块封装技术的近期进展与展望。
功率模块的整体性能和可靠性主要依赖于芯片和封装技术两个层面，而其电流特性、功率密度、温度特性、开关 频 率 、 开关 损 耗 、 安全 工 作 区 （Soft Operation Area，SOA） 等电学性能在较大程度上依赖于芯片技术。目前，中低压 1 700 V 以下 IGBT 已发展到第七代，750
V IGBT 芯片的电流密度已提升到 300 A/cm2以上，IGBT的饱和电压持续降低，开关频率达到 20 kHz 以上，开关结温Tj 上升至175 ℃，短路能力不断增强[4-8]。
近年来，由于功率半导体芯片的研发和生产投入快速增长，功率模块封装技术和产品的开发节奏也随之加快。在过去的几十年，以 IGBT 模块为代表的功率模块封装技术和产品，也在不断地换代升级：在封装结构方面，持续向紧凑、低热阻、低电感、高效冷却的方向发展；在封装技术方面，先进的互连、连接、端子键合、灌封等技术一直是研发的热点；在封装材料方面，几乎所有的材料如外壳、硅胶、衬板、基板、焊料、树脂等都在持续更新[9-13]。这些方面的不断发展，提升了功率模块的性能和可靠性，基本满足了绝大部分功率系统用户的要求。然而，随着更先进芯片技术的开发，以及新型材料功率半导体器件如 SiC、GaN 芯片的逐渐成熟，芯片的电学性能和热学性能得到了更大提升。目前的功率模块封装技术，已经呈现出不能满足芯片技术对封装需求的趋势，从而限制了芯片性能 （如工作温度、短路能力、开关速度、效率等） 的发挥[14-15]。
本文将主要讨论大功率半导体封装的进展，并对未来的发展进行展望。在新型模块产品和封装技术方面，总结业界的最新进展，并对其产品性能和特点进行分析；基于芯片技术发展需求和客户端不断提出的更高要求，探讨当前大功率半导体模块封装面临的挑战；最后，对功率半导体封装技术发展趋势和前景进行展望。
1 大功率半导体模块封装技术现状与进展
近年来，世界各国政府机构和企业在大功率半导体器件方面的研发和投入迅速增长，新兴的研发机构和企业数量也逐年增加。相对于功率芯片的开发，大功率模块封装研发所需的技术、设备和人员投入相对较小，因而许多研究机构和初创企业选择从封装技术、表征测试、可靠性和寿命、应用技术等方面入手。有关大功率模块的新型封装结构和概念层出不穷，新型的产品和技术也在不断推出，但许多创新的封装结构还处于概念和样品等早期阶段，本文主要关注大功率半导体模块在产品层面的一些最新进展。
1.1 先进开源模块
开源模块 （Open Source） 的概念源于日本日立功率半导体有限公司 （以下简称日立） 于 2013 年提出的nHPD2 系列模块，即下一代高功率密度双开关模块[16]。在推出该模块的同时也提出了标准化尺寸 （最初为 140mm ×94 mm） 和电学接口，用以替代目前的工业级标准模块 （140 mm ×130 mm 和 140 mm ×190 mm），具有性能 （如功率密度、寄生电感） 优良、模块化和易于应用等方面优点。概念一经提出，立即引起了各主要功率模块厂商的极大兴趣，后面陆续推出了各自的样品，并完成了相关产品的验证[16-21]。
开源模块分为中低压 （1 200~＜3 300 V） 系列和高压 （3 300~6 500 V） 系列 2 个版本，图 1 为日立公司最初的开源模块概念设计。其中，高压版本的外壳增加了爬电距离设计，用以提升模块耐压水平；低压版本的直流 （DC 与 DC-） 端子均为 2 个，以承受更大电流。在提升功率密度的同时，一些先进的封装互连、连接和灌封技术已经应用于开源模块之中，如英飞凌科技股份公司 （以下简称英飞凌） 的 XHP2 应用了 .XT技术，三菱电机株式会社 （以下简称三菱） 的 LV100集成 了 基 板 技 术 （Integrated Metal Baseplate， IMB），塞米 控 国 际 有 限 公 司 （以下 简 称 塞 米 控） 的 SEMI‐TRANS 20 采用烧结芯片和 AlCu 引线键合技术，ABB有限公司 （以下简称 ABB） 的 LinPak 超声焊接端子和高可靠性焊接技术等[17, 19, 21]。此外，Si3N4衬板和 AlSiC基板 已 普 遍 使 用 ， 直接 水 冷 （Direct Liquid Cooling，DLC） 集成针翅基板也逐渐成为中低压模块版本的主要形式，因此模块的热性能和可靠性得到了大幅提升。尽管开源模块产品的性能和可靠性已经完全优于上一代工业标准模块，并且能够大幅降低应用系统回路的总电感，但目前其市场容量仍然不大，一方面是由于模块生产商依然在不断提升上一代工业标准模块的性能和可靠性，以满足客户需求，另一方面是改变现有系统设计的形势还不紧迫。
1.2 新型压接式 IGBT 功率模块
压接式 （Press Pack，PP） IGBT 模块是专门为新一代柔性直流输电系统开发的产品，用以取代可关断晶闸管 （Gate Turn-off Thyristor，GTO）。PP IGBT 的概念也来自于 GTO 的封装结构，即晶圆级封装，将电极与晶圆上下表面通过压力接触，具有大电流能力、低寄生电感、短路失效、易于串联应用、双面散热的优点。由于 IGBT 芯片的工艺难度和成品率的原因，采用晶圆级压接封装没有优势。PP IGBT 采用的是小尺寸芯片并联结构，芯片通过各自的刚性或柔性压接部件与外部电极连接，通过外部电极施加压力。目前，高压直流输电 （High Voltage Direct Current，HVDC） 系统的电压已经超过 1 000 kV，需要数百个 4.5 kV 及以上的高压 IGBT 模块串联。PP IGBT 的上下表面为电极的结构，使其容易通过压力串联起来，而传统的 IGBT 模块则很难串联应用。PP IGBT 模块的长期短路失效的优点也使其更适合串联应用，当一些模块失效时，整个系统可以维持较长时间的功能[22]。
早期推出 PP IGBT 产品的厂家有 ABB、Westcode、富士电子、东芝、英飞凌等[22]，均采用圆形结构。为了提升功率密度和可靠性，日立新能源与 ABB 开发了方形结构柔性压接 StakPak 产品。StakPak 产品的芯片焊接在子模块基板上，模块管盖通过弹簧与芯片上部接触，并对其施加压力，每个模块由数个子模块单元并联构成，子模块共用管盖电极和底部电极。图 2 是StakPak 子模 块 结 构 示 意 图 和 5 200 V/3 000 A产品[23-24]。
