2.4 模块化和集成智能化
模块化和集成智能化封装是提升可制造性和可靠性，降低封装和应用成本的有效方案[70]。基于应用端的要求和电压等级的不同，需要储备完整的封装技术和材料体系、开发不同开关频率等级的小型化栅极驱动和系统控制技术、集成监测模块性能和健康状态的运维技术、考虑最优的封装形式和技术平台，形成标准模块化体系下的系列化产品。
2.5 新型应用系统的需求和挑战
早期的功率 IGBT 模块基本采用标准的封装结构和技术，应用范围主要是家用电器和工业变频等领域，而大容量的功率系统 （如轨道交通、输配电等） 则由晶闸 管 主 导 。 随着 新 型 芯 片 （IGBT 或 SiC MOSFET等） 和封装技术的快速进步，功率模块覆盖的应用领域越来越广泛，除替代上述应用领域的晶闸管模块外，还在电动汽车、新能源、航空航天等行业得到广泛应用。
不同类型电力电子系统虽然对功率模块的要求具有较大的共性，如性能提升、小型化、长期可靠性、高 SOA、电磁兼容、低成本等，但由于运行环境和工况的差别，不同系统会有特殊的需求，其产品标准也存在一定差异，在功率模块的开发过程中，需要特别关注。表 6 是新型应用系统对功率模块的特别需求。
3 大功率半导体封装技术展望
面对未来先进 IGBT 芯片和 WBG 功率芯片封装的需求，需要在封装结构、封装技术和材料等方面不断进行升级和突破。本文从以下 5 个方面对大功率半导体封装的技术趋势进行展望。
3.1 先进互连技术
对于功率开关器件，互连技术是提升电流能力、降低寄生电感和提高可靠性的关键。对非转模形式的大功率模块，先进的互连技术主要有铜线键合、DLB、DTS、柔性 PCB、铜夹 （Cu Clip） 等技术[37-41]。表 7 是这 5 种技术在性能、工艺、可靠性和成本等方面的比较。由表 7 可知，铜夹技术具有一定的整体优势，通过采用铜钼合金可降低 CTE，从而减小结合层所受的热机械应力，其可靠性会进一步增加，有望成为未来大功率半导体封装的主流技术。
3.2 端子连接技术
端子连接是大功率半导体模块可靠性主要弱点之一，其失效机制主要为由于“热-机械”应力引起的连接层退化失效，以及机械冲击和振动造成的端子脱落或断裂。因此，端子连接的可靠性对高温度冲击和高机械应力的应用场景尤其重要，如电动汽车、新能源、航空等。当前，超声焊接 （Ultrasonic Welding，USW）已成为传统结构大功率模块母排和辅助端子的主流连接技术，而对无基板模块则存在工艺控制困难。
对于无基板模块，无压力烧结、TLPS 和激光焊接将成为功率端子与辅助端子主要的连接技术。在平面转模封装中，端子以引线框架的形式通过烧结或扩散焊接技术与衬板结合，其温度稳定性高。转模灌封能够加强其对机械冲击和振动的抵抗能力，而且其工艺与其他工艺步骤兼容。相对于 USW，烧结或扩散焊接的过程更快、成本更低，所以在传统有基板模块中，也有较大应用前景。激光焊接已经成功应用于大功率汽车模块及其模块端子与外部电路的连接，它的主要优势在前文已经提及。目前，激光焊接技术的主要限制是端子的焊接部位不能太厚，需要专门设计[52, 71-72]。
3.3 新型基板及灌封技术
集成金属基板 IMB 有 3 层结构。其中，上层薄铜可用于电路拓扑布局，中间层是一层厚度约为 0.1 mm的绝缘树脂，下层是一层较厚的铜金属层，用于支撑和散热。其优势是集成了衬板和基板的功能，具有降低热阻、整体厚度薄、体积小、重量轻、成本低等优点。通过在背面金属层集成针翅结构，实现直接水冷冷却，进一步提升模块的性能和可靠性。IMB 可以与高温 EMC 灌封技术很好结合，其模块整体优势和可靠性已经得到验证[73]，将有望成为高温、高性能、紧凑封装的主要技术方向之一。
集成 金 属 衬 板 （Integrated Metal Substrate， IMS）也有 3 层结构，其中上层用于金属电路布局，中间层是传统陶瓷层，下层是较厚的金属层，也可集成针翅结构。采用 IMS 不须基板，降低了模块的热阻、体积、重量和成本。采用 AlN 陶瓷层，模块的热性能和可靠性更具优势[74-75]。IMS 与高温 EMC 灌封结合的紧凑型高功率模块产品也是近几年的研发重点。
3.4 先进冷却结构
直接水冷散热已经成为汽车 IGBT 模块的标准产品，其应用系统非常成熟，下一代工业标准模块的趋势也是直接冷却结构[28-29]。双面散热 DSC 转模模块的研发已经持续了近十年，其结构和技术已基本定型，产品也相继推出[55-57]。然而，DSC 模块的应用还未普及，主要原因是其性能优势不是很明显，应用相对比较复杂。DSC 转模模块未来的发展目标是双面直接水冷，在模块上下表面金属层上集成针翅结构或类似结构，这将大幅降低模块的总热阻、提高模块的电流能力和长期可靠性，充分发挥先进芯片的优势，对高端系统用户的意义很大。
3.5 3D 封装结构
低电感、高功率密度、紧凑封装的长期解决方案是采用多层芯片堆叠嵌入式 3D 封装结构。通过在垂直方向上增加芯片层数，将芯片连接在衬板或功率端子上，同时嵌入电容、电感等无源元件，其采取的常用冷却技术是嵌入衬板或芯片的微通道[76-77]。在当前的DSC 模块中，只有 1 层芯片，其上表面有金属柱互连，一般被认为是实现 3D 封装的过渡形式。3D 封装一般采用烧结、转模和倒装芯片 （Flip Chip，FC） 技术。FC技术在小尺寸、小功率 IC 封装中应用已经非常成熟，其关键是倒装芯片的位置控制和栅极连接，采用自动贴片机和栅极焊接 （或烧结） 技术，可以实现这个工艺。虽然大功率 3D 封装技术还在探索之中，距离产品及应用还有较长的时间，但将成为先进封装尤其是高频、高功率密度 WBG 器件封装的趋势之一。
4 结束语
随着 IGBT/FRD 芯片性能和工作温度的不断提升，以及高频、高温 WBG 功率芯片产品的成熟和强劲的市场需求，对先进封装技术的探索日益紧迫。小型化、高效率、高频、高温、高可靠性和低成本是大功率半导体器件用户的持续追求，也是功率半导体业界竞争的重点。对于这些指标的提升，封装技术发挥着至关重要的作用。来自电动汽车、新能源发电、多电飞机等中高端用户的要求，促使新的封装结构、先进封装技术和材料应用不断呈现。
本文从模块产品和封装技术层面介绍了功率半导体业界在新型封装方面的进展，对新型工业、新能源、汽车、WBG 以及航空功率器件模块产品进行了讨论和分析，讨论了当前大功率半导体模块封装面临的系列挑战，同时从模块封装技术 （如互连、端子连接及灌封）、新型结构和材料如集成基板、新型散热和紧凑封装等方面，对大功率半导体封装进行了探讨和展望。
