【博主簡(jiǎn)介】本人“愛在七夕時(shí)”，系一名半導(dǎo)體行業(yè)質(zhì)量管理從業(yè)者，旨在業(yè)余時(shí)間不定期的分享半導(dǎo)體行業(yè)中的：產(chǎn)品質(zhì)量、失效分析、可靠性分析和產(chǎn)品基礎(chǔ)應(yīng)用等相關(guān)知識(shí)。常言：真知不問出處，所分享的內(nèi)容如有雷同或是不當(dāng)之處，還請(qǐng)大家海涵。當(dāng)前在各網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上均以此昵稱為ID跟大家一起交流學(xué)習(xí)！

上個(gè)章節(jié)講到的關(guān)于《半導(dǎo)體功率模塊（IPM）封裝創(chuàng)新趨勢(shì)分析》后，應(yīng)好幾位業(yè)內(nèi)朋友的建議，讓分享一下功率模塊（IPM）后段封裝工藝技術(shù)的干貨知識(shí)，因此本章節(jié)主要跟大家分享的就是這部分內(nèi)容了，歡迎同行和有興趣的朋友一起交流探討哦。

一、功率模塊（IPM）封裝工藝技術(shù)的分類

做過市場(chǎng)調(diào)研分析的朋友們應(yīng)該知道：當(dāng)前市場(chǎng)流通的功率模塊（IPM），依據(jù)封裝工藝特點(diǎn)與應(yīng)用場(chǎng)景差異，主要可劃分為三大類別，各類別在技術(shù)路線、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及適用領(lǐng)域上均呈現(xiàn)顯著特色。

1、智能功率模塊（IPM）

這類模塊核心采用塑封多芯片集成設(shè)計(jì)思路，能夠?qū)?IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）、FRD（快恢復(fù)二極管）、高低壓 IC（集成電路），甚至包括電容、電阻等被動(dòng)元器件，高度集成并封裝在單一封裝體內(nèi)。其工藝研發(fā)以功率分立器件的傳統(tǒng)封裝設(shè)計(jì)邏輯為基礎(chǔ)，生產(chǎn)流程涵蓋引線框架預(yù)處理、DBC（直接覆銅基板）基板貼合、焊料裝片固定芯片、金鋁線混合鍵合實(shí)現(xiàn)電路互聯(lián)，以及最終的塑封成型等關(guān)鍵步驟。從應(yīng)用場(chǎng)景來看，由于其集成度與功率輸出特性適配，主要面向白電設(shè)備（如空調(diào)、冰箱的變頻控制單元）、消費(fèi)電子產(chǎn)品（如高端電源適配器），以及部分對(duì)功率需求較低的工業(yè)控制場(chǎng)景（如小型電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)）。

另外，智能功率模塊（IPM）的封裝工藝并非單一固定路線，根據(jù)芯片固定方式、基板類型及應(yīng)用功率等級(jí)的不同，主要可細(xì)分為以下三類具體技術(shù)方案，各類方案在工藝細(xì)節(jié)與適用場(chǎng)景上各有側(cè)重，對(duì)應(yīng)的封裝路線如下圖所示（分為純框架銀膠裝片類、純框架軟釬焊和銀膠混合裝片類以及焊料裝片 DBC 類三種）：

a. 純框架銀膠裝片類

該工藝路線源于傳統(tǒng) IC 封裝技術(shù)的延伸與優(yōu)化，核心流程包括引線框架清洗、銀膠點(diǎn)涂、芯片貼裝、銀膠烘干固化、銅線鍵合互聯(lián)，以及最終的全塑封成型。其中，銀膠的作用是實(shí)現(xiàn)芯片與框架的可靠固定，銅線鍵合則負(fù)責(zé)芯片與框架引腳之間的電路連接，全塑封工藝采用耐高溫、耐濕熱的環(huán)氧樹脂材料，為模塊提供全方位的環(huán)境防護(hù)。該類工藝技術(shù)成熟度高，生產(chǎn)流程穩(wěn)定，良率控制難度較低，但受限于銀膠導(dǎo)熱性能與銅線載流能力，制成的 IPM 模塊功率等級(jí)相對(duì)較低，主要應(yīng)用于小功率場(chǎng)景，如家電設(shè)備的電源模塊（如洗衣機(jī)電源控制單元）、小型水泵的調(diào)速變頻控制系統(tǒng)等。

b. 純框架軟釬焊與銀膠混合裝片類

與純框架銀膠裝片類相比，該工藝路線在結(jié)構(gòu)上增加了陶瓷散熱片，以提升模塊的散熱能力，從而適配更高功率需求；內(nèi)互聯(lián)環(huán)節(jié)則根據(jù)芯片類型差異采用差異化設(shè)計(jì)，功率芯片采用粗鋁線鍵合（粗鋁線具備更高的載流能力，可滿足功率芯片的大電流傳輸需求），控制芯片則采用金銅線鍵合（金銅線的導(dǎo)電性能更優(yōu)，且具備良好的抗氧化性，適合控制信號(hào)的穩(wěn)定傳輸）?；谏鲜鲈O(shè)計(jì)特點(diǎn)，該類模塊的功率輸出能力顯著提升，可覆蓋大多數(shù)白電設(shè)備的變頻調(diào)控需求，如空調(diào)壓縮機(jī)的變頻驅(qū)動(dòng)、冰箱變頻控制系統(tǒng)等。

該類功率模塊（IPM）的封裝路線如上圖所示（以某半導(dǎo)體企業(yè) SPM 生產(chǎn)流程為例）。從具體工藝細(xì)節(jié)來看，該方案的核心特點(diǎn)體現(xiàn)在芯片貼裝與散熱片安裝兩個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)：芯片貼裝分為控制芯片與功率芯片兩步進(jìn)行，控制芯片采用傳統(tǒng)點(diǎn)銀膠工藝固定，銀膠烘干溫度約為 100℃，而功率芯片則采用軟釬焊工藝固定，軟釬焊的熱機(jī)溫度高達(dá) 350℃，由于兩種工藝的溫度差異較大，為避免高溫對(duì)已貼裝的控制芯片造成損傷，通常會(huì)優(yōu)先完成功率芯片的軟釬焊裝片；陶瓷散熱片的安裝則采用硅膠黏結(jié)工藝，具體流程為在框架指定位置點(diǎn)涂硅膠、放置陶瓷散熱片、加壓烘干固化，該環(huán)節(jié)的工藝難點(diǎn)主要集中在三個(gè)方面：

一是硅膠涂布的均勻性控制，若涂布不均會(huì)導(dǎo)致散熱片與框架貼合間隙不一致，影響散熱效果；

二是加熱與加壓參數(shù)的精準(zhǔn)調(diào)控，需通過優(yōu)化溫度曲線與壓力大小，確保硅膠充分固化，同時(shí)實(shí)現(xiàn)散熱片與框架的可靠貼合（只有緊密貼合才能最大化散熱效率）；

三是硅膠層厚度的嚴(yán)格把控，厚度過大會(huì)導(dǎo)致后續(xù)塑封工藝中，塑封料壓力將陶瓷散熱片壓裂，厚度過小則會(huì)造成塑封料溢料覆蓋散熱片表面，阻礙熱量傳導(dǎo)。為解決溢料問題，在塑封工藝完成后，需額外增設(shè)一道激光去溢料工序，通過激光精準(zhǔn)去除覆蓋在散熱片表面的多余塑封料。

在鍵合工藝環(huán)節(jié)，夾具設(shè)計(jì)也存在特殊要求：由于粗鋁線的剛度相對(duì)較高，在后續(xù)生產(chǎn)過程中的物料傳動(dòng)環(huán)節(jié)不易發(fā)生倒伏，因此需優(yōu)先完成粗鋁線的鍵合；而金銅線鍵合所使用的壓板，需避開已完成鍵合的粗鋁線區(qū)域，避免壓板與鋁線發(fā)生碰撞導(dǎo)致鋁線變形或斷裂，因此需將金銅線的打線區(qū)域抬高設(shè)計(jì)，這一設(shè)計(jì)要求需在引線框架的前期設(shè)計(jì)階段提前考量，確保框架結(jié)構(gòu)與鍵合工藝需求匹配。

c. 焊料裝片 DBC 類

該工藝路線的核心創(chuàng)新點(diǎn)在于采用 DBC 基板作為芯片承載與電路互聯(lián)的核心載體，DBC 基板兼具優(yōu)異的導(dǎo)熱性能、良好的絕緣性能與可靠的機(jī)械強(qiáng)度，能夠同時(shí)滿足功率器件的內(nèi)互聯(lián)需求、導(dǎo)熱散熱需求與安規(guī)絕緣需求，因此該方案尤其適用于大功率應(yīng)用場(chǎng)景，是功率模塊封裝技術(shù)發(fā)展過程中的重要里程碑。

該類功率模塊（ IPM） 的封裝路線如下圖所示。從工藝流程來看，焊料裝片 DBC 類功率模塊（ IPM）模塊的生產(chǎn)整合了多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)：首先，采用 SMT（表面貼裝技術(shù)）將功率芯片與被動(dòng)元器件（如電容、電阻）精準(zhǔn)貼裝在 DBC 基板指定位置；其次，通過焊料回流焊工藝實(shí)現(xiàn)芯片、被動(dòng)元器件與 DBC 基板的可靠固定；隨后，采用粗鋁線鍵合工藝完成芯片與 DBC 基板銅層之間的電路互聯(lián)；同時(shí)，設(shè)計(jì)抬高式引線框架結(jié)構(gòu)，用于安裝控制芯片，實(shí)現(xiàn)控制電路與功率電路的隔離與連接。這種設(shè)計(jì)不僅大幅提升了芯片集成度，還能通過控制芯片實(shí)現(xiàn)功率的智能化分配與管理，美國某半導(dǎo)體企業(yè)將此類模塊命名為智能功率模塊（SPM，Smart Power Module），以區(qū)別于傳統(tǒng)功率模塊（ IPM）。

與前兩類功率模塊（ IPM）工藝相比，焊料裝片 DBC 類工藝的復(fù)雜性有所降低，更多借鑒了傳統(tǒng) EMS（電子制造服務(wù)）行業(yè)的電路板安裝技術(shù)，如焊膏印刷、元器件貼片、回流焊、基板清洗等成熟工序，有助于提升生產(chǎn)效率與工藝穩(wěn)定性。不過，該工藝在回流焊環(huán)節(jié)面臨一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn) —— 引線框架、DBC 基板與回流焊夾具三者的熱吸收特性與熱膨脹系數(shù)存在差異，在回流焊高溫環(huán)境下，三者的熱變形量不同，易導(dǎo)致封裝材料發(fā)生位移，進(jìn)而引發(fā)模塊尺寸波動(dòng)。為解決這一問題，在回流焊夾具設(shè)計(jì)過程中，需通過仿真計(jì)算分析三者的熱變形規(guī)律，合理設(shè)計(jì)夾具的鎖緊結(jié)構(gòu)：若鎖緊力度過大會(huì)導(dǎo)致材料熱膨脹時(shí)產(chǎn)生的熱應(yīng)力無法釋放，引發(fā)引線框架變形翹曲；若鎖緊力度不足則無法有效固定封裝材料，導(dǎo)致尺寸波動(dòng)超出允許范圍。因此，需通過大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，確定夾具的最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)，以保障生產(chǎn)良率。

該類模塊的后續(xù)工序（如塑封、切筋、測(cè)試等）與前述兩類功率模塊（ IPM）基本一致，但由于采用塑封工藝，模塊尺寸波動(dòng)對(duì)塑封模具的適配性影響極大，尤其是引線框架厚度方向的尺寸變化，若超出模具允許公差，會(huì)導(dǎo)致塑封料填充不均、模塊表面出現(xiàn)氣泡或裂紋等缺陷，因此在生產(chǎn)過程中，需重點(diǎn)控制框架厚度等關(guān)鍵尺寸的波動(dòng)范圍。

2、灌膠盒封大功率模塊

灌膠盒封大功率模塊的封裝路線如下圖所示（下圖為典型的灌膠盒封模塊工藝過程，涵蓋從基板預(yù)處理到最終測(cè)試的全流程，詳細(xì)標(biāo)注了內(nèi)互聯(lián)鍵合、灌膠固化、外殼裝配等關(guān)鍵工序的位置與操作要點(diǎn)）。其生產(chǎn)流程涵蓋多個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其中內(nèi)互聯(lián)鍵合工序的設(shè)置需根據(jù)模塊的設(shè)計(jì)需求與性能目標(biāo)靈活調(diào)整：若模塊采用銅片（部分行業(yè)也稱為銅夾）內(nèi)互聯(lián)技術(shù)，通過銅片直接實(shí)現(xiàn)芯片與基板、芯片與芯片之間的電路連接，則無需額外設(shè)置內(nèi)互聯(lián)鍵合工序；但在兩種情況下需保留內(nèi)互聯(lián)鍵合工序：

一是芯片柵極尺寸極小，無法通過銅片實(shí)現(xiàn)可靠連接，需采用細(xì)鋁線鍵合工藝完成柵極與控制電路的連接；

二是出于成本控制或生產(chǎn)靈活性考慮，未采用銅片工藝，源極區(qū)域仍采用粗鋁線鍵合實(shí)現(xiàn)電流傳輸。

從性能對(duì)比來看，鋁線鍵合方案的封裝內(nèi)阻相對(duì)較高，導(dǎo)熱性能也不及銅片內(nèi)互聯(lián)方案，因此在對(duì)功率損耗與散熱性能要求嚴(yán)苛的大功率應(yīng)用場(chǎng)景中，應(yīng)盡量避免采用鋁線鍵合；但銅片內(nèi)互聯(lián)技術(shù)也存在明顯局限性：一方面，銅片的制造需根據(jù)芯片尺寸、焊盤規(guī)格及電路布局進(jìn)行定制化設(shè)計(jì)與加工，無法實(shí)現(xiàn)通用化生產(chǎn)，導(dǎo)致生產(chǎn)靈活性不足；另一方面，銅片與芯片的連接通常采用焊膏回流焊工藝，而芯片表面若為純鋁材質(zhì)，其可焊性較差，需額外進(jìn)行電鍍鎳鈀金處理，以提升芯片表面的可焊性，這不僅增加了工藝步驟，還提高了生產(chǎn)成本?；谏鲜鲆蛩?，在封裝內(nèi)阻對(duì)模塊性能影響不突出、散熱需求相對(duì)寬松的場(chǎng)景中，鋁線鍵合工藝仍被廣泛采用。

為進(jìn)一步優(yōu)化內(nèi)互聯(lián)性能，行業(yè)內(nèi)還開發(fā)了粗銅線鍵合技術(shù)，利用銅材低電阻率、高導(dǎo)熱系數(shù)的特性，在保留鍵合工藝靈活性的同時(shí)，提升模塊的導(dǎo)電與散熱性能，該技術(shù)已在部分中大功率模塊封裝中逐步推廣應(yīng)用。

除傳統(tǒng)灌膠盒封工藝外，部分企業(yè)為提升模塊的功率循環(huán)可靠性（功率循環(huán)可靠性指模塊在反復(fù)加熱與冷卻過程中的性能穩(wěn)定性，是衡量模塊壽命的關(guān)鍵指標(biāo)），開發(fā)了盒裝塑封工藝。該工藝與傳統(tǒng)灌膠盒封工藝的核心區(qū)別在于，以塑封工藝替代灌膠工藝實(shí)現(xiàn)模塊的環(huán)境防護(hù)，塑封料具備更優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度與環(huán)境適應(yīng)性，可顯著提升模塊的抗沖擊能力與長(zhǎng)期可靠性。

不過，盒裝塑封工藝面臨的核心技術(shù)難點(diǎn)是功能端子的安裝：模塊的功能端子通常長(zhǎng)度較長(zhǎng)，傳統(tǒng)灌膠工藝中，端子采用機(jī)械式壓接方式插入 DBC 基板焊接的端子基座內(nèi)，安裝難度較低；而采用塑封工藝后，端子尺寸波動(dòng)會(huì)對(duì)后續(xù)測(cè)試環(huán)節(jié)的端子接觸可靠性產(chǎn)生直接影響（若端子尺寸偏差過大，會(huì)導(dǎo)致測(cè)試探針無法與端子可靠接觸，影響測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確性）。同時(shí)，塑封過程中施加的壓力會(huì)對(duì)塑料盒體的材質(zhì)選擇與盒蓋的密封性提出更高要求：若盒體材質(zhì)強(qiáng)度不足，易在塑封壓力作用下發(fā)生變形；若盒蓋與盒體的密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，塑封料可能滲入盒體內(nèi)部，導(dǎo)致模塊失效。因此，要實(shí)現(xiàn)盒裝塑封工藝的成熟穩(wěn)定量產(chǎn)，需投入大量資源研究各工序（如端子加工、盒體成型、塑封成型）帶來的尺寸波動(dòng)規(guī)律，通過優(yōu)選塑封料（需具備良好的流動(dòng)性、耐高溫性與絕緣性）、盒體材質(zhì)（需具備高強(qiáng)度、低翹曲特性）、盒蓋密封結(jié)構(gòu)，制定合理的工藝參數(shù)，才能有效控制缺陷率，保障生產(chǎn)良率與模塊可靠性。雙面散熱塑封功率模塊封裝工藝線路如下圖所示。

3、雙面散熱塑封功率模塊

雙面散熱塑封功率模塊是在盒裝塑封工藝基礎(chǔ)上開發(fā)的升級(jí)方案，其核心設(shè)計(jì)創(chuàng)新在于電路拓?fù)渑c散熱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化：電路拓?fù)洳捎冒霕騿文K設(shè)計(jì)，即單個(gè)模塊集成半橋電路的全部功能，通過三個(gè)此類模塊的組合，即可構(gòu)建出全橋三相調(diào)控系統(tǒng)，滿足電機(jī)驅(qū)動(dòng)等大功率應(yīng)用的需求。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，該類模塊采用雙面 DBC 基板與銅柱組合的架構(gòu)，雙面 DBC 基板分別位于模塊的上下兩側(cè)，銅柱則用于連接上下兩層 DBC 基板，并實(shí)現(xiàn)芯片與基板之間的支撐與導(dǎo)電；內(nèi)互聯(lián)環(huán)節(jié)可根據(jù)性能需求選擇鍵合工藝（如銅線鍵合、鋁線鍵合）或銅片內(nèi)互聯(lián)工藝；最終通過塑封工藝將整個(gè)結(jié)構(gòu)封裝成型，塑封過程中嚴(yán)格控制模塊厚度，確保制成的模塊整體纖薄，便于安裝與集成。

從性能優(yōu)勢(shì)來看，雙面散熱塑封功率模塊具備多項(xiàng)突出特點(diǎn)：

一是電路拓?fù)浜?jiǎn)潔，三個(gè)模塊即可實(shí)現(xiàn)全橋三相調(diào)控，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)與組裝流程；

二是可靠性高，塑封工藝與雙面 DBC 基板的組合，大幅提升了模塊的環(huán)境適應(yīng)性與抗沖擊能力；

三是功率密度大，纖薄的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與高度集成化，使得模塊在單位體積內(nèi)可實(shí)現(xiàn)更高的功率輸出；

四是散熱性能優(yōu)異，雙面散熱結(jié)構(gòu)可同時(shí)通過上下兩個(gè)方向散出熱量，散熱效率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)單面向散熱模塊；

五是安裝便捷，纖薄的外形設(shè)計(jì)便于模塊在有限空間內(nèi)安裝，降低了系統(tǒng)集成難度。

因此，功率模塊（IPM）封裝技術(shù)通過銀膠、軟釬焊、焊料裝片等工藝實(shí)現(xiàn)不同功率需求的適配，其中焊料裝片DBC類因高集成度和散熱性能成為主流選擇，而灌膠盒封技術(shù)則針對(duì)SiC等特殊材料進(jìn)行優(yōu)化。

二、功率模塊（IPM）的封裝工藝流程

在現(xiàn)代電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造中，集成電路(IC)封裝技術(shù)扮演著至關(guān)重要的角色。尤其是功率模塊（IPM）的封裝工藝，更是對(duì)提升電氣性能和可靠性有著直接影響，因此功率模塊（IPM）的封裝工藝就顯得尤為重要。以下就是給大家詳細(xì)解讀功率模塊（IPM）的封裝工藝流程，幫助大家更深入地了解這一技術(shù)領(lǐng)域。

1、設(shè)計(jì)階段

封裝工藝的第一步是設(shè)計(jì)。根據(jù)功率模塊（IPM）的功能需求，工程師將確定封裝的形狀、大小以及引腳布局等。這一階段需要綜合考慮電氣性能、散熱管理及制造成本。

2、材料選擇

封裝材料的選擇對(duì)功率模塊（IPM）的性能至關(guān)重要。常用的材料包括環(huán)氧樹脂、陶瓷和金屬等。這些材料不僅要具備良好的絕緣性和耐熱性，還需滿足環(huán)境友好的標(biāo)準(zhǔn)。

3、芯片準(zhǔn)備

在封裝前，首先需要對(duì)芯片進(jìn)行測(cè)試和篩選，確保其性能符合標(biāo)準(zhǔn)。合格的芯片將被轉(zhuǎn)移到后續(xù)的封裝流程中。

4、焊接

焊接是功率模塊（IPM）封裝中一個(gè)關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。通常采用表面貼裝技術(shù)(SMT)或引線框架焊接，確保芯片與基板的良好連接。這一過程要求高精度的設(shè)備和技術(shù)，以避免焊接缺陷。

5、封裝成型

焊接完成后，接下來就是封裝成型。這一過程通過將封裝材料加熱、固化，使其與芯片緊密結(jié)合，形成保護(hù)層，從而提高其抗外界環(huán)境影響的能力。

6、測(cè)試與檢驗(yàn)

封裝完成后，功率模塊（IPM）需經(jīng)過嚴(yán)格的測(cè)試與檢驗(yàn)，確保其在電氣性能和機(jī)械強(qiáng)度上的符合性。這包括高低溫測(cè)試、耐壓測(cè)試及功能測(cè)試等，以保證模塊在實(shí)際應(yīng)用中的可靠性。

7、標(biāo)識(shí)與包裝

最后，合格的功率模塊（IPM）會(huì)被標(biāo)識(shí)并進(jìn)行包裝，準(zhǔn)備出貨。包裝過程不僅是為了保護(hù)產(chǎn)品，同時(shí)也便于后續(xù)的儲(chǔ)存與運(yùn)輸。

功率模塊（IPM）的封裝工藝流程涉及多個(gè)環(huán)節(jié)，每一個(gè)細(xì)節(jié)都關(guān)系到最終產(chǎn)品的性能與可靠性。隨著科技的不斷進(jìn)步，封裝技術(shù)也在不斷創(chuàng)新，以滿足日益增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求。了解這一流程，不僅能夠幫助企業(yè)提高生產(chǎn)效率，還能在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)一席之地。

三、功率模塊（IPM）的內(nèi)部功能機(jī)制

功率模塊（IPM）內(nèi)置的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路使系統(tǒng)硬件電路簡(jiǎn)單、可靠，縮短了系統(tǒng)開發(fā)時(shí)間，也提高了故障下的自保護(hù)能力。與普通的IGBT模塊相比，功率模塊（IPM）在系統(tǒng)性能及可靠性方面都有進(jìn)一步的提高。

保護(hù)電路可以實(shí)現(xiàn)控制電壓欠壓保護(hù)、過熱保護(hù)、過流保護(hù)和短路保護(hù)。如果IPM模塊中有一種保護(hù)電路動(dòng)作，IGBT柵極驅(qū)動(dòng)單元就會(huì)關(guān)斷門極電流并輸出一個(gè)故障信號(hào)(FO)。各種保護(hù)功能具體如下:

1、控制電壓欠壓保護(hù)(UV)

功率模塊（IPM）使用單一的+15V供電，若供電電壓低于12．5V，且時(shí)間超過toff=10ms，發(fā)生欠壓保護(hù)，封鎖門極驅(qū)動(dòng)電路，輸出故障信號(hào)。

2、過溫保護(hù)(OT)

在靠近IGBT芯片的絕緣基板上安裝了一個(gè)溫度傳感器，當(dāng)功率模塊（IPM）溫度傳感器測(cè)出其基板的溫度超過溫度值時(shí)，發(fā)生過溫保護(hù)，封鎖門極驅(qū)動(dòng)電路，輸出故障信號(hào)。

3、過流保護(hù)(OC)

若流過IGBT的電流值超過過流動(dòng)作電流，且時(shí)間超過toff，則發(fā)生過流保護(hù)，封鎖門極驅(qū)動(dòng)電路，輸出故障信號(hào)。為避免發(fā)生過大的di/dt，大多數(shù)功率模塊（IPM）采用兩級(jí)關(guān)斷模式。其中，VG為內(nèi)部門極驅(qū)動(dòng)電壓，ISC為短路電流值，IOC為過流電流值，IC為集電極電流，IFO為故障輸出電流。

4、短路保護(hù)(SC)

若負(fù)載發(fā)生短路或控制系統(tǒng)故障導(dǎo)致短路，流過IGBT的電流值超過短路動(dòng)作電流，則立刻發(fā)生短路保護(hù)，封鎖門極驅(qū)動(dòng)電路，輸出故障信號(hào)。跟過流保護(hù)一樣，為避免發(fā)生過大的di/dt，大多數(shù)IPM采用兩級(jí)關(guān)斷模式。為縮短過流保護(hù)的電流檢測(cè)和故障動(dòng)作間的響應(yīng)時(shí)間，功率模塊（IPM）內(nèi)部使用實(shí)時(shí)電流控制電路(RTC)，使響應(yīng)時(shí)間小于100ns，從而有效抑制了電流和功率峰值，提高了保護(hù)效果。

當(dāng)IPM發(fā)生UV、OC、OT、SC中任一故障時(shí)，其故障輸出信號(hào)持續(xù)時(shí)間tFO為1．8ms(SC持續(xù)時(shí)間會(huì)長(zhǎng)一些)，此時(shí)間內(nèi)IPM會(huì)封鎖門極驅(qū)動(dòng)，關(guān)斷功率模塊（IPM）;故障輸出信號(hào)持續(xù)時(shí)間結(jié)束后，功率模塊（IPM）內(nèi)部自動(dòng)復(fù)位，門極驅(qū)動(dòng)通道開放。

可以看出，器件自身產(chǎn)生的故障信號(hào)是非保持性的，如果tFO結(jié)束后故障源仍舊沒有排除，功率模塊（IPM）就會(huì)重復(fù)自動(dòng)保護(hù)的過程，反復(fù)動(dòng)作。過流、短路、過熱保護(hù)動(dòng)作都是非常惡劣的運(yùn)行狀況，應(yīng)避免其反復(fù)動(dòng)作，因此僅靠功率模塊（IPM）內(nèi)部保護(hù)電路還不能完全實(shí)現(xiàn)器件的自我保護(hù)。要使系統(tǒng)真正安全、可靠運(yùn)行，需要輔助的外圍保護(hù)電路。

四、功率模塊（IPM）封裝工藝技術(shù)的介紹

以下就是本章節(jié)要跟大家重點(diǎn)分享的關(guān)于功率模塊（IPM）封裝工藝技術(shù)介紹相關(guān)的內(nèi)容，如有遺漏或是不足之前，還請(qǐng)大家海涵：

因?yàn)楸?a href="http://m.makelele.cn/soft/" target="_blank">培訓(xùn)資料章節(jié)太多，完整版如有朋友有需要，可私信我邀請(qǐng)您加入我“知識(shí)星球”免費(fèi)下載PDF版本。注意：此資料只可供自己學(xué)習(xí)，不可傳閱，平臺(tái)有下載記錄，切記！歡迎加入后一起交流學(xué)習(xí)。

五、功率模塊（IPM）的技術(shù)原理

功率模塊（IPM）是一種先進(jìn)的功率開關(guān)器件，它將功率開關(guān)器件和驅(qū)動(dòng)電路集成在一起，并內(nèi)置了過電壓、過電流和過熱等故障檢測(cè)電路。功率模塊（IPM）的核心部件是高速、低功耗的IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）芯片，這種芯片結(jié)合了GTR（大功率晶體管）的高電流密度、低飽和電壓和耐高壓的優(yōu)點(diǎn)，以及MOSFET（場(chǎng)效應(yīng)晶體管）的高輸入阻抗、高開關(guān)頻率和低驅(qū)動(dòng)功率的優(yōu)點(diǎn)。

功率模塊（IPM）的內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括IGBT芯片、優(yōu)化的門級(jí)驅(qū)動(dòng)電路以及快速保護(hù)電路。IGBT由MOSFET驅(qū)動(dòng)GTR，因此兼具兩者的優(yōu)點(diǎn)。功率模塊（IPM）根據(jù)內(nèi)部功率電路配置的不同，可分為H型（內(nèi)部封裝一個(gè)IGBT）、D型（內(nèi)部封裝兩個(gè)IGBT）、C型（內(nèi)部封裝六個(gè)IGBT）和R型（內(nèi)部封裝七個(gè)IGBT），如下圖所示。小功率的功率模塊（IPM）使用多層環(huán)氧絕緣系統(tǒng)，而中大功率的功率模塊（IPM）則使用陶瓷絕緣。

功率模塊（IPM）的驅(qū)動(dòng)電路是主電路和控制電路之間的接口，其設(shè)計(jì)對(duì)裝置的運(yùn)行效率、可靠性和安全性至關(guān)重要。IGBT的柵極耐壓一般在±20V左右，因此驅(qū)動(dòng)電路輸出端需要給柵極加電壓保護(hù)。同時(shí)，由于MOSFET存在輸入電容Cin，開關(guān)過程中需要對(duì)電容充放電，因此驅(qū)動(dòng)電路的輸出電流應(yīng)足夠大。此外，為可靠關(guān)閉IGBT，防止擎住現(xiàn)象，最好采用雙電源供電。

另外，功率模塊（IPM）的保護(hù)電路是其另一大亮點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)控制電壓欠壓保護(hù)、過熱保護(hù)、過流保護(hù)和短路保護(hù)。當(dāng)功率模塊（IPM）發(fā)生任一故障時(shí)，其故障輸出信號(hào)會(huì)封鎖門極驅(qū)動(dòng)，關(guān)斷功率模塊（IPM），并在故障輸出信號(hào)持續(xù)時(shí)間結(jié)束后自動(dòng)復(fù)位。這種自保護(hù)能力大大降低了器件在開發(fā)和使用中損壞的機(jī)會(huì)。

同時(shí)，功率模塊（IPM）的開關(guān)速度快、功耗低，并且具有快速的過流保護(hù)和過熱保護(hù)能力。這些特點(diǎn)使得功率模塊（IPM）在電力電子領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，特別是在需要高可靠性和高效率的場(chǎng)合，如變頻器、電動(dòng)汽車、智能家居和工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域。

綜上所述，功率模塊（IPM）是先進(jìn)的混合集成功率器件,由高速,低功耗的IGBT芯片和優(yōu)化的柵極驅(qū)動(dòng)電路及多種保護(hù)電路集成在同一模塊內(nèi).與普通的IGBT相比,功率模塊（IPM）在系統(tǒng)性能和可靠性上均有進(jìn)一步提高,而且由于功率模塊（IPM）的通態(tài)損耗和開關(guān)損耗都比較低,散熱器的尺寸小,故整個(gè)系統(tǒng)的尺寸更小.而且功率模塊（IPM）內(nèi)部集成了邏輯,控制,檢測(cè)和保護(hù)電路,使用起來方便,不僅減少了系統(tǒng)的體積以及開發(fā)時(shí)間,也大大增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。

六、功率模塊（IPM）的技術(shù)趨勢(shì)

因?yàn)楣β誓K（IPM）是指集成驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路到單個(gè)封裝的模塊化方案，較分立方案減少占板空間，提升系統(tǒng)可靠性，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和加速產(chǎn)品面市時(shí)間?，F(xiàn)市場(chǎng)上有半導(dǎo)體企業(yè)憑借領(lǐng)先的硅和封裝技術(shù)，提供同類最佳的功率模塊（IPM），產(chǎn)品陣容覆蓋20 W到10 KW不同功率等級(jí)，應(yīng)用于工業(yè)、汽車和消費(fèi)等應(yīng)用，具有顯著的能效、尺寸、成本、可靠性等優(yōu)勢(shì)。

根據(jù)具體應(yīng)用需求，功率模塊（IPM）可采用各種不同的晶圓技術(shù)如平面MOSFET、超結(jié)、場(chǎng)截止IGBT、碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)等，以及封裝技術(shù)如扁平無引腳(QFN)、全塑(Full pack)、陶瓷基板、AI2O3、氮化鋁(AIN)、絕緣金屬基板技術(shù)(IMST)、直接鍵合銅(DBC)、單列直插(SIP)、二合一（PFC + 變頻器INVERTER）等，以盡量減小熱阻，降低導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗，同時(shí)確保高集成度、高開關(guān)速度、高能效、高可靠性和出色的EMI性能。

當(dāng)前，工業(yè)功率模塊（IPM）主要應(yīng)用于工業(yè)壓縮機(jī)、泵、可變頻驅(qū)動(dòng)、電動(dòng)工具等。預(yù)計(jì)此類市場(chǎng)未來3年的復(fù)合年增率(CAGR)為5.1%，增長(zhǎng)較快，這主要?dú)w結(jié)于人工成本的不斷上漲導(dǎo)致企業(yè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的需求日趨強(qiáng)烈，而各項(xiàng)能源法規(guī)及測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)如ErP、IEC、GB3等對(duì)能效的要求日趨嚴(yán)格。

總之，一些專注于高功率領(lǐng)域如空調(diào)(HVAC)、汽車、工業(yè)級(jí)等功率模塊（IPM），通過領(lǐng)先的硅技術(shù)和優(yōu)化的封裝，針對(duì)每一應(yīng)用提供適當(dāng)?shù)墓β誓K（IPM）方案，確保高集成度、高功率密度、出色的熱性能、優(yōu)化的導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗、優(yōu)異的耐用性，尤其是封裝具有更大爬電距離/間隙，適用于高電壓應(yīng)用。

七、功率模塊（IPM）的應(yīng)用

功率模塊（IPM）在眾多領(lǐng)域中展現(xiàn)了其重要的應(yīng)用價(jià)值：

1、工業(yè)自動(dòng)化

在工業(yè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，功率模塊（IPM）可以實(shí)現(xiàn)高效的電機(jī)控制，提高生產(chǎn)效率，減少能耗。

2、電動(dòng)汽車

功率模塊（IPM）在電動(dòng)汽車的動(dòng)力系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用，能夠有效實(shí)現(xiàn)電能的轉(zhuǎn)換和分配，提升整車的性能和續(xù)航里程。

3、可再生能源

在光伏和風(fēng)能系統(tǒng)中，功率模塊（IPM）的高效性和可靠性使其成為逆變器的核心組件，有助于提高可再生能源的利用率。

4、家電產(chǎn)品

在空調(diào)、冰箱等家電中，功率模塊（IPM）用于電機(jī)控制和能量管理，提升產(chǎn)品的能效和使用體驗(yàn)。

八、總結(jié)一下

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，智能功率模塊（IPM）在電力電子領(lǐng)域的應(yīng)用將愈加廣泛。通過合理的分類及其在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用，功率模塊（IPM）不僅提高了設(shè)備的性能和效率，同時(shí)也推動(dòng)了可持續(xù)發(fā)展的進(jìn)程。未來，隨著電力電子技術(shù)的不斷創(chuàng)新，功率模塊（IPM）有望在更多新興領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用，為綠色能源和智能制造提供更強(qiáng)有力的支持。

參考資料

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