国奥电机:聚焦IGBT产业链上的封装环节,为IGBT国产化保驾护航

2022-05-20

由于新能源汽车、光伏发电、变频家电等下游应用需求增加,全球IGBT行业增长态势显著。据中信证券测算,2021年IGBT全球市场规模约550亿元,2022年~2025年市场规模有望保持20%的增速。

据悉,海外IGBT大厂英飞凌、安森美订单爆满。IGBT供需失衡,是国内企业抢占市场,拼技术的重要时刻,这将直接驱动IGBT国产化进程。

IGBT作为一种新型功率半导体器件,需要在大电流、高电压、高频率的环境下工作,其对稳定性、可靠性要求较高,与普通IC芯片相比,IGBT有更多对技术难题,比如芯片的减薄工艺,背面工艺等。

因而,要最终实现IGBT国产化,不仅需要研发出一套集芯片设计、晶圆制造、封装测试、可靠性试验、系统应用等于一体的成熟工艺技术,更需要先进的工艺设备。


随着芯片减薄工艺的发展,对封装提出了更高的要求。封装环节关系到IGBT是否能形成更高的功率密度,能否适用于更高的温度、拥有更高的可用性、可靠性,更好地适应恶劣环境。


一、IGBT产品分类

按照封装形式和复杂程度,IGBT产品可以分为裸片DIE、IGBT单管、IGBT模块和IPM模块。

1.裸片DIE:由一片晶圆切割而成的多颗裸片DIE;

2.IGBT单管:由单颗DIE封装而成的IGBT分立器件,电流能力小,适用于家电等领域;

3.IGBT模块:由多颗DIE并联封装而成,功率更大、散热能力更强,适用于新能源汽车、高铁、光伏发电等大功率领域;

4.IPM模块:在IGBT模块外围增加其他功能的智能功率模块(IPM);

IGBT被称成为“功率半导体皇冠上的明珠”广泛应用于光伏电力发电、新能源汽车、轨道交通、配网建设、直流输电、工业控制等行业,下游需求市场巨大。IGBT的核心应用产品类型为IGBT模块IGBT模块的市占率能够达到50%以上,而IPM模块和IGBT单管分别只有28%左右和20%左右。从产品的投资价值来看,由于IGBT模块的价值量最大,有利于企业快速提升产品规模,其投资价值最大。


二、IGBT封装技术

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。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。


在模块封装技术方面,国内基本掌握了传统的焊接式封装技术,其中中低压模块封装厂家较多,高压模块封装主要集中在南车与北车两家公司。与国外公司相比,技术上的差距依然存在。国外公司基于传统封装技术相继研发出多种先进封装技术,能够大幅提高模块的功率密度、散热性能与长期可靠性,并初步实现了商业应用。

此外,不同下游应用对封装技术要求存在差异,例如车规级由于工作温度高同时还需考虑强振动条件,其封装要求高于工业级和消费级。

(1)传统模块封装技术

传统的IGBT模块封装技术主要有:金属覆铜基板布局、芯片键合、高温芯片连接、塑封技术等,但传统的模块封装技术未能充分发挥硅基材料高温及高频的作用,封装技术的局限性成为 IGBT 模块应用的瓶颈。

(2)新型模块封装技术方案

目前,最新的IGBT 模块封装技术研发主要聚焦在低温烧结技术、铜铜键合技术。

三、IGBT封装设备

研发出最适合国内芯片的封装设备,通过协同芯片设计技术、封装技术提高IGBT封装良品率和可靠性,是我国实现IGBT国产替代的必然。

随着减薄工艺的发展,特定耐压指标的IGBT器件甚至会要求减薄到60~80μm,导致硅片极易破碎、翘曲,这给后期加工加大了难度,同时也意味着对封装设备要求更高。

贴片是IGBT模块封装首要环节,即将两个或以上的IGBT芯片和其他芯片贴片到DBC板上。为了确保纳米银膏和芯片、DBC板接触良好,避免芯片弯折、翘曲、划片等问题发生,更柔性、更稳定、更精准、更快速的高精度芯片贴装设备是贴片厂商攻占市场的关键。


国奥电机作为国内先进半导体封测设备核心部件供应商,能实现IGBT模块贴装压力控制在50g以内;高精贴片(移动分辨率0.001mm,拾取精度0.01mm),贴装良率可达99.9%。

国奥电机以±0.1g的精准力控,赋能IGBT高精贴片,为IGBT国产替代进程中的封装环节保驾护航。


高精度对位、贴片,保证良率

微米级位置反馈,获取精准数据,±0.01N力控精度,±2μm直线重复定位精度,±0.01°旋转重复定位精度,径向偏摆小于10μm,编码器分辨率标准1μm,可在高速运行状态下仍稳定输出,提升良率及可靠性。


真空吸取,压力可控,降低损耗

国奥直线旋转电机采用中空Z轴设计,预留气管接口,真空吸取、即插即用,并可根据元件结构及特性提供定制化服务;


带有“软着陆”功能,可实现±1.5g以内的稳定力度控制,支持速度、加速度及力度控制的程序化设定,使贴装头能够以非常精准的压力触碰超薄芯片,降低损耗。


“Z+R”轴集成设计,提升速度

创新性的双轴集成化解决方案,将传统“伺服马达+滚珠丝杆”合二为一,解决了Z轴自重负载问题,高速、精准完成元件Pick & Place,贴装等动作,推力曲线平滑,峰值推力8-50N,有效行程10-50mm ,超高循环寿命,实现高效生产。


体积小,重量轻,可电机组合排列

直线旋转电机LRS2015重量仅605g,轻巧的机身重量大大减轻了设备高速运动中负载带来的影响。电机厚度仅为20mm,在设备有限的内部空间中可以并排安装多组电机,减少芯片贴装往复运动过程,提升设备贴装效率。


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