1、概述
1.1功率模块分类
传统的功率模块是指将多个功率器件焊接在同一基板上，并通过铝丝压焊实现电连接， 形成具有一定功率容量和功能的模块单元。
功率集成模块是采用沉积金属膜为互连工艺的模块，是将功率器件和具有通用性的主电路、控制、驱动、保护、电源等电路及无源元件，通过多层互连和高集成度的混合IC封装， 将全部电路和元器件封装成一体，形成通用性标准化的功率模块，易于构成各种不同的应用系统。
智能功率模块（IPM）是一种有代表性的混合IC封装，将IGBT等器件、驱动电路、保护电路和控制电路及检测电路等多个芯片，封装在同一外壳内构成具有部分或完整功能的、相对独立的功率模块。
1.2主要技术问题
（1）封装与互联问题
封装和互连技术是 集成技术要解决的核心问题。在集成模块内部，则较多采用微电子技术中的互连技术，如铝丝压焊、蒸镀铝膜等。但这些工艺多用于低压、小电流集成电路的互连和封装，当用于电力电子集成时，存在电流承载能力不足、分布参数偏大、可靠性不够高等问题；还有耐高电压的绝缘材料、焊接材料等问题。
（2）电磁干扰问题
在集成模块中，主电路和控制电路的间距小于5～10mm，因此抑制相互间的干扰变得十分重要。
1.3研究内容与热点
四个方面：一是集成材料、高密度集成、控制和传感器集成、新型电力半导体器件等基础研究。
二是电-磁-热-机械集成研究，构建有源、无源和滤波器集成的电力电子模块。针对模块的电气性能、电磁干扰（EMI）及热性能的关联性，寻求综合多学科的优化设计方案。
三是电力电子模块和负载的集成。
四是从系统出发，优化系统架构，制定具体的、 可执行的电力电子模块的标准和规范。
2、基本构成
2.1基本组成
DBC：Direct Bonded Copper
2.2材料
功率模块所用材料包括基板材料、绝缘材料、焊接材料、填充材料及外壳材料。
绝缘材料：无机材料和有机材料。 无机材料有氧化铝（Al2O3）、氮化铝（AlN）、氧化铍（BeO）、氮化硅（Si3N4）等陶瓷材料；有机材料有环氧树脂、聚酰亚胺等。常用的绝缘基片为Al2O3和AlN陶瓷基片。
图1 模块的基本组成
焊接材料（软钎焊）：Sn/Ag、Cu、Sb、In、Bi无铅焊料等。
基板材料：金属基板和厚膜铜（Thick Film Copper，TFC）基板，其中金属基板又包括直接覆铜（DBC）基板、活性金属钎焊（Active Metal Brazing，AMB）基板、绝缘金属基板 （Insulated Metal Substrate，IMS）及多层绝缘金属（Multilayer-IMS）基板。
(1)DBC基板是在高温下将绝缘基片上下表面分别与铜箔共熔在一起，然后对表面的Cu进行刻蚀得到模块所需的电路结构图形。将芯片焊接于铜膜上相应位置便可形成电连接。铜膜在陶瓷上有很高的附着力，可提高可靠性。铜膜较厚，可以承受较大的电流承载力，同时具有绝缘电压高和导热性能优良等特点。陶瓷基片热导率高、热膨胀系数小，适用于大功率应用场合。
(2)活性金属钎焊（AMB）基板是将Cu薄片与绝缘基片（Al2O3或AlN）通过焊片硬焊在一起，硬焊接常用于焊接银、金及铜等金属，其焊接点比软焊接牢固，剪应力比软焊接坚固 20～30倍。采用AlN绝缘层的AMB基板有更小的热阻、更低的热膨胀系数、更高的绝缘电压及漏电稳定性。
(3)绝缘金属基板（IMS）是将聚酰亚胺直接放在Al底板，上表面粘贴一薄层铜膜，通过刻蚀铜膜可得到所需的电路图形结构。IMS成本低，可实现精细的结构，为集成驱动和保护装置提供可能；同时基片的机械强度高、基片的面积相对较大。但如果绝缘层过薄，会导致安装面较高的耦合电容。主要用于低成本、低功率领域。
(4)厚膜铜（TFC）基板是用硅胶将绝缘陶瓷直接粘贴在Al/Cu底板以及散热器上。TFC可实现几何尺寸很小的电阻及多层印制电路板（Printed Circuit Board，PCB），集成度高，印制电路连线非常细，电流承载能力限制在10A以内。
(5)柔性基板是用柔性的绝缘基材（以聚酰亚胺为主）、铜箔与兼有机械保护和良好电气绝缘性能的覆盖膜通过压制形成的印制电路板。 柔性印制电路板耐热性高，尺寸稳定性好，可以自由弯曲、卷绕、折叠，可依照空间布局要求，在三维空间移动和伸缩，从而达到元器件装配和导线连接的一体化。
图2 常用的基板材料及其组成
(6)低温共烧陶瓷（LTCC）基板的烧结温度在 900℃左右，导线材料可采用Ag-Pt、Cu等，可实现微细化布线，其中贵金属浆料可在大气中烧成。LTCC介电常数较低，通过调整材料成分及结构可以使其热膨胀系数（CTE）与Si接近，而且容易实现多层化。
(7)下填充材料是指在芯片有源区通过焊料凸点与基板相连后，通常在焊接点周围的芯片与基板之间的缝隙进行填充的材料，以实现三维封装。目的是减小热应力集中，提高可靠性， 对焊点表面起保护作用，如防潮、防尘、抗化学腐蚀等。常用下填充材料为聚合物，要求热膨胀系数和弹性模量与焊点材料越接近越好，固化温度必须低于焊点的熔化温度，且基板之间具有良好的黏合性。
(8)热界面材料（TIM）也称为热传导密封材料，当散热器上安装有多个器件时，在器件和散热器的结合面以及器件与器件之间的空隙处使用热界面材料以填充界面空隙，从而改善热传导。为了改善热设计、实现三维散热，在顶层基板和底层基板之间也需要填充热界面材料。 要求热界面材料具有高热导率、合适的热膨胀系数与玻璃软化温度，以及一定的机械强度和相当高的弹性模量，能与基板之间有良好的黏合性。
封装外壳是根据其所用的不同材料和品种结构形式决定的，常用散热性好的金属封装外壳、塑料封装外壳。新型的金属基复合材料铝碳化硅、高硅铝合金也是重要的功率模块封装外壳材料。
2.3连接
（1）内部互连 模块的内部连接包括芯片之间的键接、芯片底部的焊接、陶瓷基片（Al2O3或AlN）与其上金属膜（Cu）之间的熔接、陶瓷基片与其下面金属底板之间的焊接。
芯片安装与引线键合存在问题：键合点面积小（传热性差）、寄生电感大、铝丝载流量有限、各铝丝间电流分布不均匀以及高频电流在引线中形成的机械应力容易导致其焊点脱落等。倒装芯片（Flip Chip，FP）、球栅阵列（Ball Grid Array，BGA）互连工艺，在一定程度上可以解决上述问题。
（2）外部连接 有两种：一是利用焊接工艺将电极端子、DBC基片直接焊接在底板上； 二是利用压接工艺将端子、DBC基片与底板压接在一起。
传统功率模块带有底板，在模块安装前底板具有预弯曲，利用螺钉安装后，底板严重变形，模块与散热器表面接触不平整，须采用较厚的导热脂，导致热阻较大。新型压接模块不带底板，端子、DBC基片之间没有焊接，通过均匀压力直接与散热器固定在一起。可见，采用压接工艺不仅可提高模块的温度循环能力，还可显著减小接触热阻。
图3 传统模块与新型模块的互连工艺比较
3、封装技术
传统采用铝丝压焊，存在诸多问题：一是互连线寄生电感较大，会给器件带来较高的开关过电压，形成开关应力；二是多根铝丝并联的邻近效应导致电流分布不均，造成局部电流集中，也成为加速模块失效的一个原因；三是高频大电流通过铝丝产生的电磁力、热应力等造成其可靠性较低，容易疲劳而脱落造成模块失效；四是铝丝较细，传热性能不够好，不能有效地将器件表面产生的热量传出。
3.1互联封装技术
采用以沉积金属膜为基础的互连工艺的封装技术，如球栅阵列（BGA）封装、倒装芯片（FC）技术、薄膜覆盖封装技术（Thin Film Package Overlay Technology，TFPOT）、金属柱互连平行板（Metal Posts Interconnected Parallel Plate，MPIPP）封装技术、嵌入式封装技术（Embedded Package Technology，EPT）、多芯片模块（MCM）等。
（1）焊料凸点互连封装技术
采用了柔性电路板与倒装芯片技术相结合，功率芯片借助焊料凸点倒扣在柔性电路板上，而芯片的另一面经DBC基板与散热器固定，并在芯片和基板间隙填充聚合物，防止在热循环加载时焊点因热疲劳而失效。该结构一方面通过应用底充胶技术，即在芯片和基板间隙填充聚合物，减小了芯片与基板的热膨胀失配，提高焊点寿命；另一方面将焊料凸点互连技术与球栅阵列封装相结合，进一步减小集成模块的电气寄生参数，提高了散热性能。
（2）倒装芯片封装技术
将功率芯片夹在高热导率基板（底层）和双面印制电路板（顶层）之间，芯片的有源区通过焊料凸点实现与PCB底面对应焊盘的连接，芯片的背面焊接到底层基板上。而驱动、保护等电路元器件则焊接到顶层PCB的上面。在双面印制电路板和底层基板之间填上热传导密封材料，实现三维散热。
图4 基于互连工艺的集成模块封装技术
（3）薄膜覆盖封装技术
芯片背面焊接在DBC基 板上，芯片正面粘贴在有图形和通孔的绝缘薄膜上，通孔的位置与下面芯片电极的位置对应，以提供芯片到顶层的互连。
（4）金属柱互连平行板封装技术
借助金属柱来完成硅片之间及上下 DBC 基板之间的互连。芯片可通过下基板和金属柱两面散热，并在平行的基板以及金属柱之间的空隙填充绝缘导热材料，实现了三维散热。
（5）嵌入式封装技术
先在陶瓷基板上刻蚀出空洞，芯片被埋在陶瓷框架的空洞内，周围粘附有聚合物，通过金属沉积技术实现紧凑互连。最后，将驱动、控制、保护元器件利用表面组装技术焊接在金属膜上。采用该封装结构，可缩小模块体积，提高模块功率密度。与以焊接技术为基础的互连工艺相比，芯片电极引线的距离更短，相应的寄生参数也更小。
（6）压接式封装技术
压接封装分铜块压接封装和簧片压接封装。铜块压接封装中，所有的接触均采用压力装配，多个芯片的连接通过过渡钼片扣合完成，取消了焊接和焊接面。簧片压接封装中，簧片用于上、下层基板连接和上层基板与芯片的连接。作为电气连接，簧片既可通过大电流，也可传递控制信号。
（7）多芯片模块（Multi-Chip Module，MCM）
把多个芯片封装在一起。按结构可分为MCM-L、MCM-C及MCM-D三类。MCM-L是采用多层印制电路板制成的MCM。工艺较为成熟，生产成本较低，但电性能较差，主要用于30MHz以下的产品。MCM-C是采用厚膜技术和高密度多层布线技术在陶瓷基板上制成的MCM，主要用于30-50MHz的高可靠产品。MCM-D是采用薄膜技术将金属淀积到陶瓷或硅、铝基板上，光刻出信号线、电源线、地线，并依次做成多层基板（多达几十层），主要用在500MHz以上的高性能产品中。
（8）新型模块
为了改善功率模块的散热性能，将带有针状翼片底板的模块，直接安装在具有O环冷却通道开口的水冷散热器上。在散热器与通道侧壁之间有一个很小缝隙，其中的流体在维持高热传输时有利于减小压力的损失。采用水冷散热器，彻底解决了模块底板与散热器之间的热膨胀系数不匹配而引起的热性能及可靠性差等问题，并且能显著减小 模块的体积，非常适合电动汽车使用。
3.2专用功率模块封装
电力电子积木块（PEBB）是一种针对分布式电源系列进行划分和构造的新模块化概念，根据系统层面对电路合理细化，提取出具有相同功能或相似特征的部分，制成通用模块，作为电力电子系统的基础部件，系统中全部或大部分的功率变换功能可用相同的PEBB完成。
图5 集成水冷散热器的模块
3.3智能功率模块封装
由高速、低功耗的IGBT和优化的栅极驱动电路及快速保护电路构成。驱动电路紧靠IGBT布局，驱动延时小，故开关速度快、损耗小。模块内含过电压，过电流和过热等故障检测电路，可将检测信号送到CPU。当发生严重过载甚至短路，以及过热时，IGBT将被有控制地软关断，同时发出故障信号。此外，还有桥臂对管互锁、驱动电源欠电压保护等功能。由于IPM具有速度快、功耗低、体积小、重量轻、可靠性高、使用方便等优点，适合驱动电动机的控制器和各种逆变电源，是变频调速、冶金机械、电力牵引、伺服进给系统、变频家电的一种非常理想的电力半导体器件。
4、性能与可靠性
功率模块性能的好坏与其所应用的领域密切相关。在机车牵引中，可靠性最为重要，在家用消费品中，低成本则是决定性的因素。功率模块的性能评判有模块复杂度、散热能力、绝缘电压及漏电稳定性、负载循环的能力、电磁干扰、损坏时的安全性以及环保与回收利用等。
4.1模块复杂度
图6 多个器件组成的单模块与整流器模块
图7 各种IGBT功能模块
2.散热能力
散热能力与模块结构的内部参数（包括内热阻R和热阻抗Z）以及外部环境条件有关， 它决定了模块所允许的最高损耗（即电流、电压及开关频率等）。
模块热阻：，d材料厚度，λ热导率，A热流面积
通常标准的Al2O3-DBC基板的纯度为96%，其热导率λ为24W/m·K。若采用高纯度为99%的Al2O3，其热导率将会进一步增加。AlN的热导率为150W/m·K。采用高纯度的Al2O3或AlN可进一步改善热阻。若去掉底板，将大面积的DBC基板直接压接在散热器上，底板及底面焊接热阻不再存在。于是硅芯片和DBC基板之间的接触热阻可减少约50% 。
图8 模块热阻与芯片面积之间的关系
高热导率的基片热阻随芯片面积的增加而大致呈线性关系（比例系数K=0.96）。但当热导率较低时，热阻与面积的关系会呈非线性变化。这是因为芯片与散热器之间导热脂的热阻Rthcs随芯片面积的增加而增大。
采用增加芯片面积来提 高散热性能是有限的。
对于Al2O3-DBC陶瓷基片，芯片之间的间距dc的经验公式：
图9 功率模块内部热阻随芯片间距的变化
4.3 绝缘电压
模块的绝缘电压是由电极引线压焊点与金属底板之间的绝缘层决定的。绝缘电压的高低取决于芯片底部绝缘层的厚度、材料、均匀度以及外壳材料。实际上还受绝缘层边缘与硅凝胶粘接质量的影响。
4.4 负载循环能力
负载循环能力表示内部连接处承受温度变化的能力。当开关频率低于3kHz时，特别是间歇运行或脉冲负载时，负载变化会导致模块内部连接处的温度变化。当温度循环变化时，硅、铝膜和键合线在长度方向上的线膨胀系数不同，硅在长度方向的线膨胀系数（ΔL/L）比较小（4.7×10-4%/K），但金属化铝膜和键合线却有较高的线膨胀系数（23×10-4%/K），两者因受热而产生变形程度不一致，最终导致材料疲劳和磨损，使得芯片寿命随温度变化幅度的增加而降低。键合线与芯片之间的连接寿命同样也受两者膨胀系数差异的影响。
图10 各种绝缘基片最大绝缘电压
图11 模块中不同材料的热膨胀系数
采用AlN作绝缘基片比Al2O3更好，采用AlSiC作底板比Al和Cu更好。去掉底板后， 模块的负载循环能力会大大提高。
模块结构中，陶瓷基片和底板之间的面积最大，在温度大幅度变化时陶瓷基片容易变形和损坏，故底板与焊料的选择很重要，必须选择合适的底板和高质量的焊接方法；或采用多块陶瓷基片来减小单块基片的面积，从而减小因温升而膨胀的变化量，提高模块的负载循环能力。
AlSiC材料具有高的热导率（170～200W/m·K）和可调的热膨胀系数 [(6.5～9.5)×10-6/K]， 可以与硅芯片和AlN-DBC基板实现良好的匹配，能够防止疲劳失效的产生，甚至可将芯片直接安装到AlSiC底板上。另外，AlSiC材料的热导率大约是柯伐合金（铁镍钴合金）的10倍，芯片产生的热量可以及时散发，使整个模块的可靠性和热稳定性大大提高。
4.5 电磁干扰
电磁干扰（Electrio-Magnetic Interference，EMI）是指电力电子装置对周围设备所产生的负面影响，通常有两种形式：一种是传导干扰，主要影响电源线；另一种是辐射干扰，以电磁波的形式发射出来。模块内部结构引起的电磁干扰主要是由于功率MOSFET和IGBT的电流、电压上升时间极短（纳秒级），产生了频率远在兆赫（MHz）之外的电磁干扰，并且干扰电压的幅度主要受模块内部寄生元件及干扰信号在模块内和接口处传播途径的影响。
图12 常用绝缘基片单位面积的电容
选择合适的绝缘材料、减小耦合面积或用导电屏蔽可降低非对称干扰。同时，选择合适的内部连线结构，可避免由于外部电磁场或者变压器耦合对控制线的干扰而引起的误动作。
模块设计时，要求内部芯片、引线和电极的布局完全是对称分布的，所产生的电感要尽可能小。
电磁干扰还体现在对地电流，即，由绝缘基片的电容CE及器件开关时产生的所致，并通过接地的散热器流入保护地端子。
CE决定了最大对地电流所允许的最高开关速度。CE越小，允许的器件开关速度越高。