功率模塊封裝工藝

典型的功率模塊封裝工藝在市場上主要分為三種形式，每種形式都有其獨特的特點和適用場景。以下是這三種封裝工藝的詳細概述及分點說明：

常見功率模塊分類

DBC類IPM封裝線路

傳統(tǒng)灌膠盒封與雙面散熱模塊

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常見功率模塊分類

一、智能功率模塊（IPM）封裝工藝

工藝特點：

塑封、多芯片封裝，包括ICBT、FRD及高低壓IC等元器件。

采用引線框架、DBC（直接敷銅板）、焊料裝片、金鋁線混打等工藝。

目標市場為白電應(yīng)用、消費電子及部分功率不大的工業(yè)場所。

封裝類型：

純框架銀膠裝片類：主要用于小功率家電電源、水泵調(diào)速變頻控制等場合。基于傳統(tǒng)IC封裝方式，采用銅線內(nèi)互聯(lián)和全塑封。

純框架軟釬焊和銀膠混合裝片類：具有散熱片（一般為陶瓷），功率芯片采用粗鋁線，芯片控制部分采用金銅線內(nèi)互聯(lián)。適用于白電變頻調(diào)控的大多數(shù)場合。

特殊工藝：

散熱片安裝工藝：采用硅膠黏結(jié)陶瓷片后烘干，需控制點膠涂布的均勻性、加熱和加壓，保證可靠連接并控制氣泡及厚度。

綁線夾具設(shè)計：先做鋁線，因其剛度好，可抗倒伏。

金銅線壓板設(shè)計：需避開已綁線的鋁線區(qū)域，抬高打線區(qū)域。

二、灌膠盒封功率模塊封裝工藝

工藝特點：

一般采用DBC、粗鋁線或粗銅線鍵合、銅片釬接等工藝。

焊料裝片或銀燒結(jié)工藝，端子采用焊接壓接方式。灌入導(dǎo)熱絕緣混合膠保護，塑料盒外殼。

適用場景：

適用于大功率工業(yè)品和汽車應(yīng)用場景。

三、結(jié)合前兩種優(yōu)勢的功率模塊封裝工藝

工藝特點：

采用DBC、銅柱、焊料裝片或銀燒結(jié)工藝。打線或銅片釬接內(nèi)互聯(lián)，塑封形成雙面散熱通道。

SiC模塊發(fā)展趨勢：

采用銀燒結(jié)代替焊料，以充分發(fā)揮SiC材料的耐高溫優(yōu)勢。采用銅（銅線、銅片）做內(nèi)互聯(lián)代替粗鋁線內(nèi)互聯(lián)。

以上三種功率模塊封裝工藝各具特色，適用于不同的應(yīng)用場景。IPM封裝工藝以其高效、集成度高的特點，在白電應(yīng)用、消費電子等領(lǐng)域占據(jù)重要地位；灌膠盒封功率模塊則以其高功率密度和可靠性，在大功率工業(yè)品和汽車領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用；而結(jié)合前兩者優(yōu)勢的封裝工藝，則在未來SiC模塊的發(fā)展中展現(xiàn)出巨大潛力。在實際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)具體需求選擇合適的封裝工藝，以實現(xiàn)最佳的性能和成本效益。

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DBC類IPM封裝線路

焊料裝片DBC類IPM封裝線路是功率模塊封裝技術(shù)的一個重要里程碑，以下是對其分點概述：

一、DBC基板的應(yīng)用與優(yōu)勢

DBC基板：作為功率模塊的核心部件，DBC基板既滿足了功率器件內(nèi)互聯(lián)和導(dǎo)熱散熱的需求，又因其絕緣性符合安規(guī)要求，特別適用于大功率場合。

二、DBC類型IPM的特點

集成度高：DBC類型的IPM采用了SMT（表面貼裝技術(shù)），將功率芯片和被動元器件（如電容、電阻）有效地集成并封裝在一塊基板上，提高了芯片集成度。

粗鋁線內(nèi)互聯(lián)：通過粗鋁線實現(xiàn)內(nèi)互聯(lián)，提高了功率傳輸效率。

框架設(shè)計：設(shè)計抬高的框架聯(lián)接，便于安裝控制芯片，實現(xiàn)智能化功率分配。

三、SPM技術(shù)的引入與工藝簡化

SPM定義：美國仙童公司開發(fā)的此類功率模塊稱為SPM（Smart Power Module），是IPM封裝技術(shù)的進一步提升。

工藝簡化：與傳統(tǒng)的IPM工藝相比，SPM工藝復(fù)雜性有所降低，更借鑒了傳統(tǒng)EMS（電子制造服務(wù)）行業(yè)的組裝技術(shù)，如印刷、貼片、回流、清洗等電路板安裝技術(shù)。

四、回流焊夾具的設(shè)計與優(yōu)化

熱吸收與膨脹差異：在設(shè)計回流焊夾具時，需考慮框架、DBC以及回流焊夾具之間的熱吸收和膨脹差異，避免封裝材料移動和尺寸波動。

鎖定與熱應(yīng)力釋放：夾具設(shè)計需兼顧鎖定和熱應(yīng)力釋放，避免框架變形翹曲。通過計算和實驗確定夾具的最優(yōu)化設(shè)計，保證生產(chǎn)良率。

五、后道工序與尺寸控制

后道工序：DBC類型的IPM后道工序與傳統(tǒng)IPM相差不大，但需注意控制尺寸波動。

尺寸控制：由于采用塑封，尺寸波動對塑封模具至關(guān)重要。因此，需嚴格控制框架厚度等方面的變化，確保塑封質(zhì)量。

綜上所述，焊料裝片DBC類IPM封裝線路以其高集成度、大功率處理能力以及優(yōu)化的工藝設(shè)計，在功率模塊市場中占據(jù)重要地位。通過不斷改進和優(yōu)化封裝技術(shù)，可以進一步提高其性能和可靠性，滿足更廣泛的應(yīng)用需求。

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傳統(tǒng)灌膠盒封與雙面散熱模塊

灌膠盒封大功率模塊封裝線路及其相關(guān)技術(shù)發(fā)展可以分點概述如下：

一、灌膠盒封模塊工藝特點

內(nèi)互聯(lián)鍵合工藝：根據(jù)具體情況選擇是否添加。若采用銅片連接技術(shù)做內(nèi)互聯(lián)，則無需內(nèi)互聯(lián)鍵合工藝；若芯片柵極小，需做細鋁線鍵合，或源極區(qū)域也采用粗鋁線鍵合，則內(nèi)互聯(lián)鍵合為關(guān)鍵工藝。

銅片工藝：電阻小、導(dǎo)熱快，但生產(chǎn)靈活性不夠，需定制化，且對芯片表面純鋁情況不適用，需額外電鍍處理。

鋁線綁定工藝：在內(nèi)阻和散熱性影響不大的情況下常用，因其工藝相對簡單。

粗銅線鍵合綁定技術(shù)：利用銅的電阻小、導(dǎo)熱快的特性，開發(fā)出的一種新技術(shù)。

二、盒裝塑封工藝及其難點

提高可靠性：采用盒裝塑封工藝以提高功率循環(huán)可靠性。

功能端子安裝：主要難點之一，需控制端子尺寸波動，確保后續(xù)測試端子接觸良好。

塑封工藝性問題：塑封壓力對盒子選材和蓋子密封性提出要求，需研究各工序帶來的尺寸波動，優(yōu)選材質(zhì)以保證產(chǎn)量和良率。

三、雙面散熱塑封功率模塊

工藝特點：采用雙面DBC和銅柱，可選擇內(nèi)互聯(lián)綁線鍵合或銅片內(nèi)互聯(lián)。塑封后厚度可控，非常薄，又稱刀片式功率模塊。

優(yōu)勢：電路拓撲簡單；可靠性高；功率密度大；散熱性優(yōu)良；安裝方便。

四、雙面散熱模塊與傳統(tǒng)灌膠盒封模塊比較

體積與功率密度：雙面散熱模塊體積更小，三合一模塊也比傳統(tǒng)灌膠盒裝模塊更緊湊，因此功率密度更大。

散熱效率：雙面散熱模塊散熱效率更高。

封裝保護：塑封比灌膠封裝保護更好，更耐機械沖擊，能有效提高可靠性，提升功率循環(huán)壽命。

灌膠盒封大功率模塊封裝線路及其相關(guān)技術(shù)發(fā)展在不斷進步，以適應(yīng)更高功率密度、更高可靠性和更優(yōu)散熱性能的需求。雙面散熱塑封功率模塊作為其中的佼佼者，具有廣闊的應(yīng)用前景。

晶圓 （wafer）/晶粒 （die）/芯片 （chip）之間的區(qū)別和聯(lián)系

晶圓（Wafer）——原材料和生產(chǎn)平臺

晶圓是半導(dǎo)體制造的基礎(chǔ)材料，通常由高純度的硅（Si）或其他半導(dǎo)體材料制成。晶圓的形狀一般是圓形的薄片，厚度一般在幾百微米到幾毫米之間，表面經(jīng)過精密的處理，使其足夠光滑，并具備優(yōu)良的晶體結(jié)構(gòu)，適合進行各種電子器件的加工。

比喻：可以把晶圓比作“原材料”或“紙張”，類似于我們制造一本書的紙張，它本身并不是最終產(chǎn)品，但它是所有后續(xù)工藝的基礎(chǔ)。

晶粒（Die）——分割后的單個電路單元

在晶圓上，經(jīng)過一系列的半導(dǎo)體工藝（如光刻、摻雜、蝕刻等），會形成大量的集成電路結(jié)構(gòu)。這些集成電路結(jié)構(gòu)中的每一個獨立單元稱為晶粒（Die）。晶粒是通過將晶圓切割成多個小塊而得到的，每個晶粒代表一個完整的電子組件，通常具備完整的功能，但在此階段它還未進行封裝。

比喻：可以把晶粒比作“書頁上的單篇文章”。它是從“整本書”中剪裁出來的每一小部分，每個“文章”都有獨立的內(nèi)容和功能，但它還不完整，尚未加入封面、裝訂等步驟。

晶粒的外形通常為矩形或正方形，尺寸和形狀的具體要求會根據(jù)產(chǎn)品的設(shè)計、功能需求和制造工藝的不同而有所差異。晶粒的質(zhì)量直接影響最終芯片的質(zhì)量，因此，晶粒在生產(chǎn)過程中需要經(jīng)過嚴格的測試和篩選（例如，KGD：已知良品晶粒，符合功能和可靠性要求）。

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芯片（Chip）——封裝后的成品

晶粒經(jīng)過切割和測試后，會被封裝成完整的芯片（Chip）。封裝不僅為晶粒提供物理保護，防止其在使用過程中受到損壞，還通過引腳、焊盤等方式將芯片與外部電路連接起來。芯片是最終面向用戶和市場的產(chǎn)品，完成封裝后的芯片才具備實際的電氣功能，能夠作為集成電路（IC）的一部分，應(yīng)用于各種電子設(shè)備中。

比喻：芯片就像是一本已經(jīng)印刷、裝訂好的書。每一篇文章（晶粒）都被整合成一個完整的圖書（芯片），并且有封面和目錄（封裝），使得讀者（系統(tǒng)）可以使用這本書（芯片）的內(nèi)容。

晶圓、晶粒與芯片的關(guān)系

晶圓是生產(chǎn)的原材料，經(jīng)過精細工藝后會形成許多個晶粒。

晶粒是在晶圓上切割出來的獨立單元，每個晶?？梢元毩⑼瓿芍付ǖ墓δ堋Ｋ鼈兺ǔＰ枰?jīng)過測試來確保它們是良品（如KGD晶粒），并且滿足電學性能和可靠性要求。

芯片則是將晶粒封裝后的最終產(chǎn)品，具備完整的外部接口，可以與其他電子設(shè)備進行連接和工作。

這三者的關(guān)系可以通過一個逐步加工的過程來理解：從大塊原料（晶圓），到切割成小單元（晶粒），再到封裝成最終產(chǎn)品（芯片），每一步都至關(guān)重要，決定了最終芯片的質(zhì)量和功能。

什么是Dummy Wafer（填充片）

一、Dummy Wafer 的定義與作用

Dummy Wafer，中文稱為填充片，是在晶圓制造過程中專門用于填充機臺設(shè)備的晶圓，通常不會用于實際生產(chǎn)，也不會直接作為成品出售。其主要作用是為滿足設(shè)備運行的特定要求或約束，確保設(shè)備的工藝性能穩(wěn)定，同時優(yōu)化資源利用率并減少生產(chǎn)風險。Dummy Wafer 的設(shè)計和使用是晶圓廠生產(chǎn)管理的重要組成部分。在晶圓制造的不同工藝階段，由于設(shè)備的特性及工藝要求，Dummy Wafer 在保證設(shè)備正常運行、優(yōu)化資源分配、降低良品晶圓損耗方面起到了不可替代的作用。

二、Dummy Wafer 的具體用途

Dummy Wafer 的使用場景多種多樣，根據(jù)其用途主要可以分為以下幾個方面：

填充設(shè)備容量：某些設(shè)備（如爐管、刻蝕機）在運行時對晶圓數(shù)量有一定要求。例如，爐管設(shè)備的熱處理工藝需要晶圓在一定數(shù)量的情況下，才能形成穩(wěn)定的氣流、溫度場和化學反應(yīng)環(huán)境。如果只放置少量生產(chǎn)晶圓，設(shè)備性能可能不穩(wěn)定，最終影響工藝質(zhì)量。因此，Dummy Wafer 被用來填充設(shè)備以達到所需數(shù)量。將晶圓設(shè)備比作一個烤箱，如果烤箱里只放一塊面包，熱量可能分布不均勻，但如果放滿面包，就能均勻受熱。同理，Dummy Wafer 起到了“湊人數(shù)”的作用，確保設(shè)備在最佳負載下運行。

保護生產(chǎn)晶圓：在某些高風險工藝中，比如離子注入、刻蝕和化學氣相沉積（CVD），設(shè)備調(diào)試或初始工藝階段可能存在工藝不穩(wěn)定或顆粒生成較多的情況。如果直接使用生產(chǎn)晶圓（PW），可能造成不可挽回的良率損失。Dummy Wafer 在此類工藝中起到試探性作用，避免生產(chǎn)晶圓直接暴露在潛在風險下。Dummy Wafer 就像探路先鋒，先確認前方道路安全，再讓生產(chǎn)晶圓“放心通過”。

均勻分布工藝負載：某些設(shè)備在進行工藝處理時，需要工藝載體（例如爐管或刻蝕腔體）內(nèi)的晶圓分布均勻。例如在物理氣相沉積（PVD）中，如果晶圓數(shù)量或擺放位置不對稱，可能導(dǎo)致沉積速率和厚度均勻性受到影響。Dummy Wafer 的加入能夠平衡設(shè)備內(nèi)晶圓的布局，確保整個工藝的穩(wěn)定性和均勻性。

減少設(shè)備閑置成本：在晶圓制造中，設(shè)備的啟動和關(guān)閉都會消耗大量時間和資源。如果沒有生產(chǎn)晶圓需要加工，設(shè)備長時間閑置可能導(dǎo)致資源浪費和設(shè)備性能下降。通過加工 Dummy Wafer，可以讓設(shè)備保持活躍狀態(tài)，同時為后續(xù)生產(chǎn)做好準備。

進行設(shè)備驗證和工藝調(diào)試：Dummy Wafer 通常被用作設(shè)備的驗證載體。例如，在設(shè)備維護、清洗后，需要使用 Dummy Wafer 測試設(shè)備狀態(tài)是否恢復(fù)正常。如果檢測到異常，可以調(diào)整設(shè)備參數(shù)或進行再次清洗，而不需要直接損耗生產(chǎn)晶圓。設(shè)備就像一輛汽車，Dummy Wafer 就像測試用的輪胎，確保汽車性能正常后，再換上“昂貴”的生產(chǎn)用輪胎。

三、Dummy Wafer 的材料選擇與使用特點

Dummy Wafer 的材質(zhì)和規(guī)格通常根據(jù)工藝要求和設(shè)備特性而定。以下是 Dummy Wafer 的主要特點：

材料：大多數(shù) Dummy Wafer 使用與生產(chǎn)晶圓相同的基材（如單晶硅或多晶硅），以保證在設(shè)備中的表現(xiàn)一致。對于某些特殊工藝場景（如高溫工藝），Dummy Wafer 的材料可能會更耐用，但成本相對較低。

表面處理：Dummy Wafer 的表面通常不需要與生產(chǎn)晶圓相同的精細處理。它們可以是拋光晶圓，也可以是測試級晶圓。部分 Dummy Wafer 可能會重復(fù)使用，直到出現(xiàn)較大的損傷或顆粒污染，才會被更換。

使用壽命：Dummy Wafer 通常會被循環(huán)使用，但其使用壽命取決于具體工藝和設(shè)備要求。例如，在高溫、高腐蝕環(huán)境中，其壽命會較短。

成本考量：Dummy Wafer 的成本通常遠低于生產(chǎn)晶圓，但仍需要妥善管理和維護，以避免不必要的浪費。

四、Dummy Wafer 的管理和優(yōu)化

在晶圓制造過程中，Dummy Wafer 的管理是一項需要高度關(guān)注的任務(wù)。以下是相關(guān)管理和優(yōu)化措施：

使用追蹤：建立 Dummy Wafer 的使用記錄，跟蹤其使用次數(shù)、使用工藝和損耗情況。通過數(shù)據(jù)分析優(yōu)化 Dummy Wafer 的更換周期。

減少污染：Dummy Wafer 的重復(fù)使用可能會帶來顆?；蚧瘜W污染，因此需要定期清洗或替換，確保設(shè)備內(nèi)部環(huán)境清潔。

工藝適配：不同工藝對 Dummy Wafer 的要求不同，需要根據(jù)工藝特點選擇合適的 Dummy Wafer。例如，在薄膜沉積中，Dummy Wafer 表面的光潔度可能直接影響薄膜質(zhì)量。

庫存管理：由于 Dummy Wafer 不會直接用于生產(chǎn)，其庫存管理需要考慮成本控制與生產(chǎn)需求之間的平衡。

廢棄處理：報廢的 Dummy Wafer 應(yīng)根據(jù)環(huán)保要求妥善處理，例如回收硅材料或作為低級別測試晶圓使用。

五、Dummy Wafer 的實際案例分析

爐管填充：在氧化工藝中，爐管設(shè)備對晶圓數(shù)量要求嚴格，過少的晶圓可能導(dǎo)致溫度場不均，影響氧化層厚度。Dummy Wafer 的加入不僅填補了數(shù)量要求，還能起到保護生產(chǎn)晶圓的作用。

刻蝕設(shè)備調(diào)試：刻蝕設(shè)備在工藝切換或維護后，需要對刻蝕速率、均勻性進行測試。如果直接使用生產(chǎn)晶圓，可能產(chǎn)生嚴重損失。通過 Dummy Wafer 驗證刻蝕工藝后，可以確保生產(chǎn)的安全性和穩(wěn)定性。

六、總結(jié)

Dummy Wafer 是晶圓制造過程中不可或缺的一部分，其作用貫穿設(shè)備維護、工藝調(diào)試到資源優(yōu)化等多個方面。在實際操作中，合理使用 Dummy Wafer 不僅能夠降低生產(chǎn)成本，還能提高設(shè)備利用率和工藝穩(wěn)定性。

Wire bonding IMC是不是越厚越好？

談起IMC這個問題，有點困惑

IMC到底是越厚越好？還是越薄越好？

IMC全稱為intermetallic（金屬間化合物），金屬化合物是兩種不同金屬原子按照一定比例進行化合，形成與原來兩者晶格不同的新化合物。金屬化合物的形成是在兩種不同金屬的接觸面上，通過原子的熱擴散運動形成的；

在半導(dǎo)體封裝中，我們的芯片PAD主要是由金或鋁兩種金屬材料，bonding wire的材料就比較豐富了，有鋁、銅、鈀銅、金、銀等材料；WB焊接四要素：壓力(（bond force),功率(power)，時間(time)，溫度(temperature)，WB的四要素共同加速界面的金屬原子的相互擴散，從而形成Au-Al、Cu-Al和Ag-Al等金屬化合物，從而達到兩種不同材質(zhì)金屬間的鍵合。

而隨著時間的推移，相互接觸的兩種金屬原子將會繼續(xù)擴散，導(dǎo)致IMC不停地朝著兩種金屬深處生長；且由于靠近不同材質(zhì)界面原子濃度的差異，導(dǎo)致各金屬間化合物原子數(shù)量比不同，從而會同時存在多種不同成分的IMC；其次因其不同金屬原子擴散速率的差異，導(dǎo)致Au-Al、Cu-Al和Ag-Al IMC生長方向也各有特點。

我們接下來聊聊

對于如何檢驗IMC是否接觸良好，IMC面積是否滿足要求，哪些可靠性實驗是檢驗IMC，失效分析如何檢查IMC等問題；

在封裝工藝過程中，對于IMC接觸是否滿足封裝要求的快速簡單的方法就是打線的推拉力實驗，抽檢打線的推拉力也是生產(chǎn)線質(zhì)量管控的重要環(huán)節(jié)；根據(jù)打線材質(zhì)和線徑的不同來參考不同的推拉力值；

IMC面積的要求大于60%以上，不同的類型的器件對IMC的面積要求也是有差異的；

HTSL/HAST可靠性實驗是檢驗IMC的重要手段；

HTSL：高溫存儲實驗，其實驗條件為150℃環(huán)境下將產(chǎn)品儲存1000h，而高溫會加速原子擴散，從而加速IMC生長速度，因此HTSL是評估因IMC生長引起失效的重要手段。

HAST：高溫高濕實驗，其實驗條件為85℃和85%濕度的環(huán)境金線存儲，高溫高濕會促進水汽和鹵素進入到封裝體中，如果有Cl元素就會腐蝕IMC，導(dǎo)致IMC出現(xiàn)高阻。

IMC的物質(zhì)特性是硬而脆，因此形成了一個相互"矛盾"的概念，IMC的生成代表焊球與焊盤之間形成了有效焊接，但當其生長達到一定厚度時，由于其自身的脆性又會導(dǎo)致使用過程中的熱電疲勞在其內(nèi)部產(chǎn)生裂痕，這種失效風險由IMC生長速度決定，因此Au-Al > Ag-Al > Cu-Al。

所以我們在生產(chǎn)調(diào)試過程中會盡量增加IMC的覆蓋面積以達到有效焊接，而在可靠性過程中又會想方設(shè)法降低其生長速率，通常是在線材中進行摻雜，以抑制原子擴散速率，尤其是金線；

IMC隨著時間的增加和溫度的增加，IMC會越來越厚，最終會出現(xiàn)柯肯達爾現(xiàn)象，導(dǎo)致一焊點出現(xiàn)高阻失效。