IGBT模块的核心生产流程
IGBT模块并非单个芯片,而是一个多芯片的集成系统，其生产过程可以分为三大阶段：芯片制造（前道工艺）-> 模块封装（中道工艺）-> 测试与应用（后道工艺）。
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芯片制造
这是IGBT模块的“心脏”制造阶段，目标是制造出具有特定电气性能（如耐压、导通压降、开关速度）的IGBT芯片和续流二极管芯片。
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晶圆制备
- 材料选择：通常采用高电阻率的硅作为衬底，对于高端应用也会使用碳化硅，晶圆表面会生长一层高质量的、极薄的硅外延层，这是IGBT器件有源区的基础。
- 掺杂：通过离子注入或扩散工艺，在硅片中精确地引入N型和P型杂质，形成PN结和寄生结构。
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光刻
在晶圆表面涂上光刻胶,通过掩模版曝光、显影，将电路图形转移到光刻胶上，这一步需要重复数十次，以定义出栅极、发射极、集电极等所有关键结构，精度要求极高，通常在微米甚至纳米级别。
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刻蚀
- 利用等离子体或化学方法,将未被光刻胶保护的材料去除，从而在晶圆上形成沟槽、孔洞或特定形状的结构，现代IGBT多为沟槽栅结构，需要通过刻蚀形成深而窄的沟槽。
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薄膜沉积
- 在晶圆表面生长或沉积各种绝缘层、导电层。
- 栅氧层：在栅极沟槽侧壁生长一层极薄（纳米级）且高质量的二氧化硅（SiO₂），这是绝缘栅的核心，决定了器件的阈值电压和可靠性。
- 多晶硅：在沟槽内填充多晶硅，作为栅极电极。
- 金属化层：通过溅射或CVD沉积铝、铜等金属，形成互连线路，将芯片的各个电极引出。
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背面工艺
- IGBT芯片是垂直结构的,电流从正面流到背面。
- 减薄：将晶圆背面研磨到所需的厚度（通常在100微米以下），以降低导通电阻和开关损耗。
- 背面金属化：在背面沉积金属（如钛/镍/银），形成低电阻的集电极电连接。
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晶圆测试
（图片来源网络，侵删）在切割前,使用探针台对晶圆上的每一个芯片进行初步的电性测试，筛选出不合格的芯片，以提高封装后的成品率。
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切割
使用精密的金刚石刀片或激光,将测试合格的晶圆切割成独立的IGBT芯片和二极管芯片。
模块封装
这是将“心脏”和“骨骼、血管、神经”组装起来的过程，是IGBT模块技术含量最高、最关键的部分。
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芯片贴装
- 核心挑战：如何将多个芯片（IGBT芯片、FWD芯片）和温度传感器芯片，以极低的接触电阻和极高的可靠性，固定到DBC（Direct Bonded Copper，直接键合铜）基板上。
- 技术：主流技术是烧结，特别是银烧结。
- 银烧结：将银颗粒和有机粘合剂的膏状物（银烧结胶）涂覆在DBC基板上，贴放芯片后，在高温（约250°C）和压力下进行烧结，银颗粒在高温下熔合，形成陶瓷状的金属键合。
- 优势：相比传统的锡焊，银烧结具有更高的热导率（是锡焊的5-10倍）和更高的机械强度和耐热循环能力，能更好地应对功率模块工作时剧烈的温升和温降。
- 替代技术：纳米银烧结（低温烧结）、金锡焊等。
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键合
- 核心挑战：如何将芯片上微小的电极焊盘（通常是铝）与DBC基板上较粗的铜引出线连接起来，形成低电感、高电流的电流路径。
- 技术：
- 超声键合：使用细小的金线或铝线，通过超声波能量和压力，在芯片焊盘和DBC引线之间形成牢固的连接，这是目前的主流技术。
- 铜线键合：由于铜的成本低于金且导电性更好，铜线键合是重要的发展方向，但铜易氧化，需要惰性气体保护。
- 带键合：使用铜带代替细线，可以承载更大的电流，电感更低，适用于大功率模块。
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凝胶与灌封
- 目的：保护键合线等脆弱的内部结构免受振动、湿气、化学物质的侵蚀，并提高绝缘强度。
- 材料：通常使用硅胶或环氧树脂。
- 工艺：将混合好的凝胶注入模块外壳内，通过真空脱泡处理，确保没有气泡，然后固化。
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外壳与密封
将封装好的核心部分放入金属外壳（通常是铜或铝基座）中，盖上绝缘外壳盖，然后进行激光密封或焊接，形成一个完全密封的模块。
测试与应用
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最终测试
- 对成品模块进行全面的电气性能测试,包括：
- 静态参数：集电极-发射极击穿电压、栅极阈值电压、集电极-发射极饱和压降等。
- 动态参数：开关损耗、开关时间等。
- 绝缘测试：测试端子与外壳之间的绝缘耐压。
- 同时进行高低温循环、湿热、振动等可靠性测试，模拟实际工作环境，验证模块的长期稳定性。
- 对成品模块进行全面的电气性能测试,包括：
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激光打标
在模块外壳上打印型号、批次、序列号等信息。
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包装与出货
将合格的模块进行防静电包装,准备出货。
关键技术挑战
IGBT模块的生产技术始终围绕着以下几个核心挑战展开：
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散热与热管理
- 挑战：IGBT在工作时会产生巨大的热量（损耗），如果热量不能及时散发出去，会导致芯片结温升高，性能下降，甚至烧毁。
- 技术对策：
- DBC基板：氧化铝或氮化铝陶瓷与铜的复合基板，兼具高绝缘性和高导热性。
- AMB基板：活性金属钎焊的氮化铝基板，氮化铝的导热性远优于氧化铝，是高端模块的首选。
- 银烧结：提供芯片与基板之间极低的“热阻”。
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可靠性与寿命
- 挑战：功率模块在汽车、风电、轨道交通等领域要求10-20年的寿命，它们需要承受剧烈的温度循环（-40°C到150°C以上）、振动、湿气等严苛考验。
- 技术对策：
- 替代锡焊：用银烧结、铜烧结等高可靠性技术替代热膨胀系数不匹配、易疲劳的锡焊。
- 优化材料：开发低模量、高导热的灌封胶，以缓解键合线在热循环中受到的应力。
- 结构设计：通过仿真优化内部布局，减小热应力和机械应力。
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寄生电感
- 挑战：模块内部的电流路径会形成寄生电感，在开关过程中，di/dt（电流变化率）会在寄生电感上产生很高的电压尖峰（V = L * di/dt），可能导致器件过压击穿，并增加开关损耗。
- 技术对策：
- 优化布局：设计紧凑、对称的内部布局，缩短电流环路。
- 先进封装技术：
- 压接式：芯片通过压力直接连接，无键合线，寄生电感极低，可靠性极高，但工艺复杂。
- 嵌入式功率：将芯片嵌入到基板中，进一步缩短连接距离。
- 双面散热：芯片上下两面都可以散热，热阻更低，结构更紧凑。
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集成与功率密度
- 挑战：市场要求模块更小、更轻、功能更强，即更高的功率密度。
- 技术对策：
- 芯片集成：将多个IGBT和二极管芯片集成在一个“半桥”或“全桥”单元中，甚至将驱动、保护和温度传感电路也集成进去（如IPM - 智能功率模块）。
- 先进材料：使用SiC（碳化硅）芯片，其导通电阻更低、开关速度更快、耐温更高，可以大幅减小模块体积和重量。
未来发展趋势
- 宽禁带半导体 的应用：以SiC（碳化硅）和GaN（氮化镓）为代表的WBG材料是未来方向，SiC MOSFET模块已在新能源汽车、光伏逆变器等领域大规模应用，具有更高的效率、更高的功率密度和更高的工作温度。
- 先进的封装技术：
- 无引线互连：压接、嵌入式等技术将逐步成为主流，以消除键合线的失效模式。
- 系统级封装：将功率模块、驱动电路、控制逻辑、传感器等集成在一个封装内，形成高度集成的“智能功率模块”或“功率电子集成模块”。
- 3D集成：将芯片垂直堆叠，进一步减小体积和寄生参数。
- 智能制造与大数据：
- 在生产过程中引入传感器和数据分析,实现实时监控和预测性维护，提高生产良率和一致性。
- 利用数字孪生技术模拟和优化封装结构,加速产品开发。
- 集成驱动与保护：驱动电路与IGBT芯片的集成度越来越高，提供更优的门极驱动波形、更完善的短路、过流、过温保护功能，提升系统的安全性和易用性。
IGBT模块的生产技术是一个多学科交叉的系统工程,其核心在于芯片设计、精密制造和先进封装的完美结合，未来的发展将围绕着更高效率、更高功率密度、更高可靠性和更智能化的目标，不断融合新材料、新工艺和新设计理念，推动电力电子技术的革新。
