失效分析 赵工 半导体工程师 2022-07-29 09:03 发表于北京
IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor），绝缘栅双极型晶体管，是由 BJT（双极型三极管）和 MOS（绝缘栅型场效应管）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件， 兼有 MOSFET 的高输入阻抗和 GTR 的低导通压降两方面的优点。GTR 饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；MOSFET 驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT 综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为 600V 及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。
IGBT 模块是由 IGBT（绝缘栅双极型晶体管芯片）与 FWD（续流二极管芯片）通过特定的电路桥接封装而成的模块化半导体产品；封装后的 IGBT 模块直接应用于变频器、UPS 不间断电源等设备上；
IGBT 模块具有节能、安装维修方便、散热稳定等特点；当前市场上销售的多为此类模块化产品，一般所说的 IGBT 也指 IGBT 模块；随着节能环保等理念的推进，此类产品在市场上将越来越多见；
IGBT 是能源变换与传输的核心器件，俗称电力电子装置的“CPU”，作为国家战略性新兴产业，在轨道交通、智能电网、航空航天、电动汽车与新能源装备等领域应用极广。
igbt 模块的制造工艺和流程
生产制造流程：
丝网印刷 自动贴片真空回流焊接超声波清洗缺陷检测（X 光）自动引线键合激光打标壳体塑封壳体灌胶与固化端子成形功能测试 IGBT 模块
封装是将多个 IGBT 集成封装在一起，以提高 IGBT 模块的使用寿命和可靠性，体积更小、效率更高、可靠性更高是市场对 IGBT 模块的需求趋势，这就有待于 IGBT模块封装技术的开发和运用。目前流行的 IGBT 模块封装形式有引线型、焊针型、平板式、圆盘式四种，常见的模块封装技术有很多，各生产商的命名也不一样，如英飞凌的 62mm 封装、TP34、DP70 等等。
IGBT 模块有 3 个连接部分：硅片上的铝线键合点、硅片与陶瓷绝缘基板的焊接面、陶瓷绝缘基板与铜底板的焊接面。这些接点的损坏都是由于接触面两种材料的热膨胀系数（C犯）不匹配而产生的应力和材料的热恶化造成的。
IGBT 模块封装技术很多，但是归纳起来无非是散热管理设计、超声波端子焊接技术和高可靠锡焊技术：
（1）散热管理设计方面，通过采用封装的热模拟技术，优化了芯片布局及尺寸，从而在相同的ΔTjc 条件下，成功实现了比原来高约 10%的输出功率。
（2）超声波端子焊接技术可将此前使用锡焊方式连接的铜垫与铜键合引线直接焊接在一起。该技术与锡焊方式相比，不仅具备高熔点和高强度，而且不存在线性膨胀系数差，可获得较高的可靠性。与会者对于采用该技术时不需要特别的准备。富士公司一直是在普通无尘室内接近真空的环境下制造，这种方法没有太大的问题。
（3）高可靠性锡焊技术。普通 Sn-Ag 焊接在 300 个温度周期后强度会降低 35%，而 Sn-Ag-In 及 Sn-Sb 焊接在相同周期之后强度不会降低。这些技术均“具备较高的高温可靠性”。
IGBT 模块封装流程：一次焊接--一次邦线--二次焊接--二次邦线---组装--上外壳、涂密封胶--固化---灌硅凝胶---老化筛选。这些流程不是固化的，要看具体的模块，有的可能不需要多次焊接或邦线，有的则需要，有的可能还有其他工序。上面也只是一些主要的流程工艺，其他还有一些辅助工序，如等离子处理，超声扫描，测试，打标等等。
IGBT 模块封装的作用 IGBT 模块封装采用了胶体隔离技术，防止运行过程中发生爆炸;第二是电极结构采用了弹簧结构，可以缓解安装过程中对基板上形成开裂，造成基板的裂纹;第三是对底板进行加工设计，使底板与散热器紧密接触，提高了模块的热循环能力。
对底板设计是选用中间点设计，在我们规定的安装条件下，它的幅度会消失，实现更好的与散热器连接。后面安装过程我们看到，它在安装过程中发挥的作用。产品性能，我们应用 IGBT 过程中，开通过程对 IGBT 是比较缓和的，关断过程中是比较苛刻。大部分损坏是关断造成超过额定值。
IGBT 模块封装过程中的技术详解
第一点说到焊接技术，如果要实现一个好的导热性能，我们在进行芯片焊接和进行DBC 基板焊接的时候，焊接质量就直接影响到运行过程中的传热性。从上面的结构图我们可以看到，通过真空焊接技术实现的焊接。可以看到 DBC 和基板的空洞率。这样的就不会形成热积累，不会造成 IGBT 模块的损坏。
第二种就是键合技术，实现数据变形。键合的作用主要是实现电气连接。在 600 安和1200 安大电流情况下，IGBT 实现了所有电流，键合的长度就非常重要，陷进决定模块大小，电流实现参数的大小。运用过程中，如果键合陷进、长度不合适，就会造成电流分布不均匀，容易造成 IGBT 模块的损坏。外壳的安装，因为 IGBT 本身芯片是不直接与空气等环境接触，实现绝缘性能，主要是通过外壳来实现的。外壳就要求在选材方面需要它具有耐高温、不易变形、防潮、防腐蚀等特性。
第三是罐封技术，如果 IGBT 应用在高铁、动车、机车上，机车车辆运行过程中，环境是非常恶劣的，我们可能会遇到下雨天，遇到潮湿、高原，或者灰尘比较大，如何实现IGBT 芯片与外界环境的隔离，实现很好运行的可靠性，它的罐封材料起到很重要的作用。就要求选用性能稳定无腐蚀，具有绝缘、散热等能力，膨胀率小、收缩率小的材料。我们大规模封装的时候，填充材料的部分加入了缓冲层，芯片运行过程中不断加热、冷却。在这个过程中如果填充材料的热膨胀系数与外壳不一致，那么就有可能造成分层的现象，在IGBT 模块中间加入一种类似于起缓冲作用的填充物，可以防止分层现象出现。
第四是质量控制环节，质量控制所有完成生产后的大功率 IGBT，需要对各方面性能进行试验，这也是质量保证的根本，可以通过平面设施，对底板进行平整度进行测试，平整度在 IGBT 安装以后，所有热量散发都是底板传输到散热器。平面度越好，散热器接触性能越好，导热性能越好。第二是推拉测试，对键合点的力度进行测试。第三硬度测试仪，对主电极的硬度，不能太硬、也不能太软。超声波扫描，主要对焊接过程，焊接以后的产品质量的空洞率做一个扫描。这点对于导热性也是很好的控制。IGBT 模块电气方面的监测手段，主要是监测 IGBT 模块它的参数、特性是否能满足我们设计的要求，第二绝缘测试。
#盘点国内IGBT企业#
功率半导体是半导体行业的细分领域，虽不像集成电路一样被大众熟知，但其重要性不可忽视。IGBT是功率半导体的一种，作为电子电力装置和系统中的“CPU”，高效节能减排的主力军。
回顾IGBT的技术发展，IGBT主要经历了7代技术及工艺改进。
IGBT ，绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，具有高频率、高电压、大电流、易于开关等优良性能，被业界誉为功率变流装置的“CPU”。
研究数据显示，电动汽车的发展将带动IGBT市场总值持续成长，预估2021年IGBT的市场总值将突破52亿美元。中国作为全球最大的IGBT需求市场，主要市场份额被欧美、日本企业所占据，但是经过多年努力，目前已建立起完整的IGBT产业链，下面将按照IDM、设计、制造、模组分类盘点国内IGBT产业链主要企业——
IDM
中车时代电气
株洲中车时代电气股份有限公司是中国中车旗下股份制企业，其前身及母公司——中车株洲电力机车研究所有限公司创立于1959年，其现已形成了集IGBT产品设计、芯片制造等成套技术研究、开发、集成于一体的大功率IGBT产业化基地。
比亚迪微电子
2003年，比亚迪成立深圳比亚迪微电子有限公司（即其“第六事业部”），致力于集成电路及功率器件的开发并提供产品应用的整套解决方案，其IGBT的研发制造主要由比亚迪微电子负责。2005年，比亚迪正式组建IGBT研发团队，并于2007年建立IGBT模块生产线，完成首款电动汽车IGBT模块样品组装。
士兰微
杭州士兰微电子股份有限公司成立于1997年，从集成电路芯片设计业务开始，逐步搭建了特色工艺的芯片制造平台，并已将技术和制造平台延伸至功率器件、功率模块和MEMS传感器的封装领域，建立了较为完善的IDM经营模式。
华微电子
吉林华微电子股份有限公司成立于1999年，集功率半导体器件设计研发、芯片加工、封装测试及产品营销为一体，官网信息显示其拥有4英寸、5英寸与6英寸等多条功率半导体分立器件及IC芯片生产线，芯片加工能力为每年400万片，封装资源为24亿只/年，模块360万块/年。
重庆华润微
华润微电子（重庆）有限公司，即原中航（重庆）微电子有限公司，集半导体设计、研发、制造与服务一体化，以功率半导体器件、功率/模拟集成电路为产业基础，面向工业电子、消费电子、汽车电子、5G通讯市场。具备功率器件、GaN、MEMS传感器等技术开发和制造平台。
台基股份
湖北台基半导体股份有限公司成立于2004年，是是国内大功率半导体器件领域为数不多的掌握前道（扩散）技术、中道（芯片制成）技术、后道（封装测试）技术，并掌握大功率半导体器件设计、制造核心技术并形成规模化生产的企业。
扬杰科技
扬州扬杰电子科技股份有限公司成立于2006年8月，致力于功率半导体芯片及器件制造、集成电路封装测试等领域的产业发展，主营产品为各类电力电子器件芯片、功率二极管、整流桥、大功率模块、DFN/QFN产品、SGT MOS及碳化硅SBD、碳化硅JBS等。
科达半导体
科达半导体有限公司成立于2007年，是由科达集团投资成立的高新技术企业，主要从事IGBT、FRD、MOSFET等新型功率半导体器件（电力电子器件）的设计、生产和销售，在深圳、浙江、山东等地区均设有销售中心。
设计
中科君芯
江苏中科君芯科技有限公司成立于2011年，是一家专注于IGBT、FRD等新型电力电子芯片研发的中外合资高科技企业。中科君芯前身是中国科学院微电子研究所、中国科学院微电子研究所、中国物联网研究与发展中心以及成都电子科大的三个研究团队，最早始于上世纪80年代。
达新半导体
宁波达新半导体有限公司成立于2013年，是以海归博士为主创立的一家中外合资的高科技公司，主要从事IGBT、MOSFET、FRD等功率半导体芯片与器件的设计、制造和销售，拥有IGBT、MOSFET和FRD等功率半导体芯片的设计和工艺集成技术，建有IGBT产品性能测试、应用及可靠性试验室，拥有一条测试和制造手段完备IGBT模块研发生产线。
紫光微电子
无锡紫光微电子有限公司（原无锡同方微电子有限公司）成立于2006年，是紫光同芯微电子有限公司投资的一家高新技术企业，是一家专注于先进半导体功率器件和集成电路的设计研发、芯片加工、封装测试及产品销售的集成电路设计企业。
无锡新洁能
无锡新洁能股份有限公司成立于2013年，主营业务为MOSFET、IGBT等半导体功率器件的研发设计及销售，主要产品按照是否封装可分为芯片和封装成品，广泛应用于消费电子、汽车电子、工业电子以及新能源汽车/充电桩、智能装备 制造、物联网、光伏新能源等领域。
芯派科技
西安芯派电子科技有限公司成立于2008年，是一家集研发、生产和销售为一体的高新技术企业，产品包含低压至高压全系列MOSFET、IGBT、二极管、桥堆以及电源管理IC等。其总部位于西安，拥有省级重点实验室西安半导体功率器件测试应用中心。
制造
华虹宏力
上海华虹宏力半导体制造有限公司由原上海华虹NEC电子有限公司和上海宏力半导体制造有限公司新设合并而成，是全球首家提供场截止型绝缘栅双极型晶体管（FS IGBT）量产技术的8英寸集成电路芯片制造厂。
上海先进
上海先进半导体制造股份有限公司，前身为1988年由中荷合资成立的上海飞利浦半导体公司，拥有5英寸、6英寸、8英寸晶圆生产线，专注于模拟电路、功率器件的制造，自2004年开始提供IGBT国内、外代工业务。
中芯国际
中芯国际集成电路制造有限公司是中国内地技术最全面、配套最完善、规模最大、跨国经营的集成电路制造企业，提供0.35微米到28纳米8寸和12寸芯片代工与技术服务。
方正微电子深圳方正微电子有限公司成立于2003年，由方正集团联合其他投资者共同创办，专注于为客户提供功率分立器件（如DMOS、IGBT、SBD和FRD）和功率集成电路（如BiCMOS、BCD和HV CMOS）等领域的晶圆制造技术。
华润上华
无锡华润上华科技有限公司隶属于华润集团旗下负责半导体业务的华润微电子有限公司。华润上华向客户提供广泛的晶圆制造技术，包括BCD、Mixed-Signal、HV CMOS、RFCMOS、Embedded-NVM、BiCMOS、Logic、MOSFET、IGBT、SOI、MEMS、Bipolar等标准工艺及一系列客制化工艺平台。
模组
嘉兴斯达
嘉兴斯达半导体股份有限公司成立于2005年4月，是一家专业从事功率半导体元器件尤其是IGBT模块研发、生产和销售服务的国家级高新技术企业，其主要产品为功率半导体元器件，包括IGBT、MOSFET、IPM、FRD、SiC等，已成功开发近600种IGBT模块产品，电压等级涵盖100V～3300V
芯能半导体
深圳芯能半导体技术有限公司成立于2013年，由深圳正轩科技、深圳国资委、深圳人才创新基金、达晨创投、方广资本、厦门猎鹰等知名机构联合投资，致力于IGBT芯片、IGBT驱动芯片以及大功率智能功率模块的研发、应用和销售。
西安永电西安中车永电电气有限公司成立于2005年，是中车永济电机有限公司全资控股的专门从事电力电子产品的研发、生产、销售、服务的高技术企业，主要产品包括IGBT?模块、IPM模块、整流管、晶闸管、组合元件等电力半导体器件，以及变流器、功率模块、城轨地面整流装置、地铁单向导通装置、充电机等装置。
宏微科技
江苏宏微科技股份有限公司成立于2006年8月，立足于电力电子元器件行业，业务范围包括设计、研发、生产和销售新型电力半导体芯片、分立器件及模块，如FRED、VDMOS、IGBT芯片、分立器件、标准模块及用户定制模块(CSPM)，并提供高效节能电力电子装置的模块化设计、制造及系统的解决方案。
威海新佳
威海新佳电子有限公司成立于2004年，注册资本2000万元，是专业从事新型电力电子器件及其应用整机产品设计、研发、生产、销售的国家高新技术企业。
银茂微电子
南京银茂微电子制造有限公司成立于2007年11月，是江苏银茂（控股）集团有限公司控股公司。官网介绍称，该公司一期项目以研发、制造和销售拥有自主知识产权的新型电力电子模块、全气密半气密高可靠性混合电路电子器件、大规模变流技术核心组件为主营业务，具备年产通用功率模块65万件和高压大功率模块10万件以上的生产能力，是目前国内最大的电力电子功率模块生产基地之一。
来源：半导体设备资讯站
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