高可靠IGBT器件復(fù)合封裝方法研究

摘? 要：為減少IGBT器件的擊穿失效等問(wèn)題，該文提出了一種復(fù)合封裝IGBT芯片的方法，能夠有效防止集電極和發(fā)射極過(guò)壓/過(guò)流引起的失效問(wèn)題;并針對(duì)復(fù)合封裝芯片的可靠性問(wèn)題，在框架上增加裙邊和凹槽，采用抽真空塑封方式，克服了分層現(xiàn)象，通過(guò)了熱阻檢測(cè)和可靠性試驗(yàn)，該封裝方法具有良好的應(yīng)用前景和研究?jī)r(jià)值。

關(guān)鍵詞：IGBT;復(fù)合封裝;分層;可靠性

中圖分類號(hào)：TN322+.8? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2020）07-0033-03

Research on High-reliability IGBT Device Compound Packaging Method

YUAN Fengjiang

（Foshan Blue Rocket Electronics Co.，Ltd.，F(xiàn)oshan? 528051，China）

Abstract：In order to reduce the breakdown failure of IGBT devices，this paper proposes a method of compound packaging IGBT chips，which can effectively prevent the failure problems caused by collector and emitter overvoltage/overcurrent;and aiming at the reliability of composite packaging chip，adding skirts and grooves on the frame，and using vacuum plastic packaging to overcome the delamination phenomenon，passed the thermal resistance detection and reliability test，the packaging method has good application prospects and research value.

Keywords：IGBT;compound package;delamination;reliability

0? 引? 言

IGBT是由雙極型晶體管與絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)晶體管組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式電子器件，具有開關(guān)頻率高、熱穩(wěn)定性好、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、導(dǎo)通電壓低及通態(tài)電流大等特性，被作為功率器件廣泛應(yīng)用于交流電機(jī)、變頻器、開關(guān)電源、照明電路、牽引傳動(dòng)、數(shù)碼相機(jī)、電磁加熱設(shè)備、UPS、電焊機(jī)、風(fēng)力發(fā)電等工業(yè)控制和電力電子系統(tǒng)領(lǐng)域中，市場(chǎng)需求巨大。

目前制造IGBT的企業(yè)主要以外資為主，例如德國(guó)Infineon、瑞士ABB、美國(guó)OnSemi和Fairchild、日本三菱和Fuji等，在產(chǎn)品品種、產(chǎn)量、可靠性等方面位居行業(yè)龍頭，占據(jù)國(guó)內(nèi)一半以上的市場(chǎng)份額，只有一些中低端產(chǎn)品由國(guó)內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)。通過(guò)不斷的技術(shù)積累，特別是在國(guó)家政策的扶持下，國(guó)內(nèi)企業(yè)紛紛在IGBT器件結(jié)構(gòu)、制造與封裝工藝等方面開展研究，并取得了可喜的進(jìn)展。

本文依托佛山市藍(lán)箭電子股份有限公司的現(xiàn)有IGBT生產(chǎn)平臺(tái)，對(duì)采用改性環(huán)氧樹脂材料TO-3P封裝的IGBT在封裝工藝上進(jìn)行了多項(xiàng)改進(jìn)，取得了良好的效果。

1? 封裝工藝的改進(jìn)

1.1? 框架設(shè)計(jì)

IGBT功耗大，容易發(fā)熱，對(duì)氣密性要求高。因此設(shè)計(jì)了一種專用框架，如圖1在載芯板四周以及散熱片上增加了凸起裙邊，且在其兩側(cè)各設(shè)計(jì)了一個(gè)臺(tái)階，在三個(gè)管腳的內(nèi)側(cè)部分增設(shè)凹槽，目的在于提高環(huán)氧樹脂塑封料與框架的結(jié)合度，減少內(nèi)應(yīng)力，以便保證塑封的氣密性。

1.2? 器件復(fù)合封裝

IGBT經(jīng)常在感性負(fù)載條件下使用，容易引起集電極和發(fā)射極之間的過(guò)電壓和過(guò)電流，導(dǎo)致IGBT失效，常在集電極和發(fā)射極之間反向并聯(lián)一個(gè)快恢復(fù)二極管（FRD），為感性負(fù)載釋放能量。但由于線路板上連線較長(zhǎng)，存在雜散電感、電容干擾，失效仍時(shí)有發(fā)生，因此采用復(fù)合封裝技術(shù)，將IGBT芯片與FRD芯片以反向并聯(lián)方式封裝在一起，形成一個(gè)高集成度的IGBT分立器件，如圖2所示，不僅降低了引線電感，提高了產(chǎn)品的可靠性，而且節(jié)省了PCB空間，提高了整機(jī)裝配效率。

復(fù)合封裝連線的工藝流程如下：

（1）根據(jù)IGBT芯片和FRD芯片的長(zhǎng)寬尺寸，分別確定將芯片焊接到載芯板上所需焊料的長(zhǎng)寬尺寸，IGBT和FRD芯片焊料的長(zhǎng)寬尺寸是對(duì)應(yīng)IGBT和FRD芯片尺寸的1.2～1.5倍。

（2）根據(jù)TO-3P載芯板的長(zhǎng)寬尺寸、IGBT和FRD芯片焊料的長(zhǎng)寬尺寸，確定IGBT、FRD芯片在載芯板上的裝載位置，IGBT和FRD焊料邊緣之間的間距保持在0.5 mm以上，同時(shí)IGBT和FRD焊料到TO-3P邊緣的間距也需保持在0.5 mm以上。

（3）點(diǎn)上焊料，將IGBT芯片粘貼到載芯板上。然后在旁側(cè)點(diǎn)上焊料，再將FRD芯片焊接到載芯板上。

（4）通過(guò)引線將IGBT芯片的發(fā)射極與框架對(duì)應(yīng)的引腳打線區(qū)連接起來(lái)，用引線將FRD芯片的陽(yáng)極與框架上的同一引腳打線區(qū)連接起來(lái)，然后再用引線將IGBT芯片的柵極與框架的另一個(gè)引腳連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)IGBT和FRD芯片之間的反向并聯(lián)連接。

（5）用改性環(huán)氧樹脂將IGBT、FRD芯片、載芯板及框架打線區(qū)域包封起來(lái)。

（6）IGBT集電極通過(guò)的電流較大，為了提高焊線效率和可靠性，采用多條鋁線重復(fù)焊接方式，即在IGBT集電極與對(duì)應(yīng)的框架引腳之間焊接多條鋁線，這些鋁線之間近乎平行，互不干涉，在芯片和框架引腳上的焊點(diǎn)均勻分布，引線弧高，即引線最高點(diǎn)到芯片表面的垂直距離約為1～2 mm。

1.3? 抽真空塑封

半導(dǎo)體產(chǎn)品塑料封裝一般采用管頭進(jìn)膠，進(jìn)膠口短而寬，優(yōu)點(diǎn)是塑料注入充盈，缺點(diǎn)是溢料較多且堅(jiān)硬，TO-3P外形大，封裝中尤為突出，特別是模具經(jīng)過(guò)一段時(shí)間生產(chǎn)使用后出現(xiàn)磨損，溢料更加嚴(yán)重，導(dǎo)致后工序外觀處理難度增大，甚至造成廢品。

為了克服溢料，我們采用了具有抽真空功能的模具結(jié)構(gòu)，如圖3所示，當(dāng)裝有框架的爐架放進(jìn)模具后，模具外緣有一圈密封圈，保證合模后密封，注塑時(shí)模具內(nèi)抽真空，使塑封料流動(dòng)順暢，既縮短了注塑時(shí)間，同時(shí)又能夠避免出現(xiàn)分層。

IGBT工作時(shí)會(huì)發(fā)熱，如果塑料和芯片、框架之間存在分層的話，塑封體內(nèi)容易進(jìn)入水汽，既影響其電性能參數(shù)，又可能因發(fā)熱膨脹導(dǎo)致爆裂。因此我們利用超聲波掃描顯微鏡（SAM）來(lái)檢查封裝內(nèi)部的分層情況，以便優(yōu)化塑封工藝。

我們選用了一種改性環(huán)氧樹脂作為塑封料，采用如表1所列的工藝參數(shù)進(jìn)行抽真空塑封，并隨機(jī)抽取了一些IGBT產(chǎn)品，用超聲波掃描儀檢查其內(nèi)部分層。

采用抽真空塑封后情況如圖4（a）所示，結(jié)果顯示內(nèi)部沒(méi)有分層，封裝達(dá)到要求;對(duì)比未抽真空塑封的情況，或者塑封工藝條件不合適的情況，在分層處就會(huì)顯示出彩色斑塊，如圖4（b）所示，指向部分表示該處材料結(jié)合不緊密，這樣的產(chǎn)品即便初測(cè)合格，但經(jīng)過(guò)高溫高壓，或在潮濕環(huán)境下使用一段時(shí)間，分層部位會(huì)積聚空氣，最終導(dǎo)致產(chǎn)品發(fā)熱裂開失效。

2? 產(chǎn)品性能測(cè)試

2.1? 熱阻測(cè)試

IGBT是大功率器件，其工作時(shí)的發(fā)熱量直接影響到使用的可靠性和整機(jī)壽命，而其發(fā)熱量與熱阻密切相關(guān)，熱阻大小與粘片工藝相關(guān)，例如焊錫成分、粘片的空洞率、芯片結(jié)合力等，在現(xiàn)有條件下，只能利用X-RAY設(shè)備和推拉力測(cè)試儀進(jìn)行抽樣檢驗(yàn)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)全檢。進(jìn)入測(cè)試工序，一般的分立器件測(cè)試系統(tǒng)能夠利用模擬熱阻測(cè)試項(xiàng)對(duì)二極管、雙極型晶體管和MOSFET等器件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)試和篩選，對(duì)IGBT器件則無(wú)法勝任。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，根據(jù)IGBT的特點(diǎn)升級(jí)測(cè)試軟件，改進(jìn)了測(cè)試系統(tǒng)，采用對(duì)比加載功率前后IGBT的集電極C、發(fā)射極E之間電壓變化值的大小進(jìn)行產(chǎn)品熱阻的測(cè)算，變化值越大，說(shuō)明器件溫度越高，散熱越差，產(chǎn)品的熱阻就越大。通過(guò)增加這個(gè)測(cè)試項(xiàng)，可成功實(shí)現(xiàn)對(duì)IGBT器件的熱阻測(cè)試，有效篩選裝片不良、散熱能力差的產(chǎn)品，從而證明復(fù)合封裝的可行性，表2為IGBT與其他半導(dǎo)體器件的熱阻測(cè)試項(xiàng)目的對(duì)比。

2.2? 參數(shù)測(cè)試

半導(dǎo)體器件產(chǎn)品參數(shù)對(duì)溫度非常敏感，溫度的變化可導(dǎo)致參數(shù)發(fā)生明顯的漂移，有些參數(shù)的變化幅度甚至高達(dá)幾倍。目前，常溫性能參數(shù)的測(cè)試主要依據(jù)GB/T 4589.1—2006《半導(dǎo)體器件 第10部分：分立器件和集成電路總規(guī)范》和GB/T 29332—2012《半導(dǎo)體器件 分立器件 第9部分：絕緣柵雙極晶體管（IGBT）》在24～26 ℃、相對(duì)濕度60%的環(huán)境下進(jìn)行。

另外尚有部分參數(shù)（如漏電、導(dǎo)通電壓）還要求在高溫下測(cè)試，如100 ℃、125 ℃、150 ℃、175 ℃等，進(jìn)行了可靠性試驗(yàn)，測(cè)試依據(jù)為GB/T 4937—1995《半導(dǎo)體器件機(jī)械和氣候試驗(yàn)方法》，隨機(jī)抽取一批產(chǎn)品，將其放置于高溫烘箱中，通過(guò)引線連接到測(cè)試儀器，逐個(gè)對(duì)器件進(jìn)行人工測(cè)試，檢測(cè)內(nèi)容包括高溫反偏、高低溫沖擊、高溫儲(chǔ)存等可靠性試驗(yàn)，通過(guò)測(cè)試結(jié)果，驗(yàn)證復(fù)合封裝IGBT產(chǎn)品的可靠性。

本文采用復(fù)合TO-3P封裝技術(shù)，封裝了三款產(chǎn)品BRG15 N120D、BRG20N120D和BRG25N120D，對(duì)其主要開關(guān)參數(shù)進(jìn)行了測(cè)量，如表3所示，都達(dá)到了產(chǎn)品額定值，這三款產(chǎn)品分別對(duì)應(yīng)美國(guó)OnSemi公司的NGTB15N120IHLWG、NGT B20N120IHSWG和NGTB25N120FLWG產(chǎn)品，從這些性能參數(shù)來(lái)看，國(guó)產(chǎn)IGBT產(chǎn)品性能穩(wěn)定，能夠替代國(guó)外同類產(chǎn)品。

BRG15N120D、BRG20N120D和BRG25N120D主要應(yīng)用于電磁爐、UPS電源和太陽(yáng)能逆變器等產(chǎn)品中，在這些終端產(chǎn)品制造商中推廣應(yīng)用國(guó)產(chǎn)IGBT器件，根據(jù)市場(chǎng)反饋，國(guó)產(chǎn)封裝IGBT器件能夠完全滿足整機(jī)廠要求，性能穩(wěn)定，產(chǎn)品參數(shù)與國(guó)外同類產(chǎn)品相近，可以互為替代，滿足市場(chǎng)差異化需求。

3? 結(jié)? 論

我國(guó)IGBT器件的研發(fā)較為滯后，本文依托企業(yè)生產(chǎn)試驗(yàn)平臺(tái)，改進(jìn)了IGBT器件的封裝工藝，產(chǎn)品性能穩(wěn)定，可靠性高，達(dá)到了國(guó)際同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平，產(chǎn)品能夠替代進(jìn)口，不僅填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求的空白，提高了企業(yè)創(chuàng)新能力，而且為企業(yè)拓展了市場(chǎng)，產(chǎn)生了良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

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作者簡(jiǎn)介：袁鳳江（1971.09—），男，漢族，江蘇淮安人，工程師，畢業(yè)于西安電子科技大學(xué)，碩士，研究方向：半導(dǎo)體技術(shù)。