在各國政府持續推動節能減碳政策，及歐盟期望在2020年達到減少20%溫室氣體排放量（相比於1990年）的目標下，工業節能及電動車的發展越來越受到重視，而功率模組在節能減碳上扮演一關鍵角色。以電動車為例，需要一高效能的變頻器來作為動力系統與電力系統之間的功率轉換。在功率轉換期間，高壓高流的功率輸出常伴隨著大量的熱能，影響功率模組的驅動效能。為了要達到高效能的驅動，模組散熱能力是一大關鍵，如何透過結構設計與改良，降低模組熱阻值是功率模組領導廠商努力投入的研發目標。
本文將從以下大綱，概略介紹目前國際大廠功率模組發展趨勢，以及工研院自行研發的功率模組封裝架構。
‧功率模組市場需求
‧電性、應力、熱傳模擬分析技術
‧功率模組封裝技術
‧功率模組散熱效能與可靠度測試
‧結論
【內文精選】
功率模組市場需求
近年來節能減碳議題在全球發酵，為滿足歐盟2021年後的燃油車排碳量標準，全球車廠莫不投注大量資源開發油電混合及電動車產品。圖一為純電動車與各類油電混合車二氧化碳排放量比較圖，純電動車比插電式油電混合車(Plug-in Hybrid Electric Vehicle; PHEV)與全混成電動車(Full Hybrid Electric Vehicle; Full HEV)減少了近40%與60%的碳排放量。因為這些優點，讓電動車獲得消費者的青睞，重新取得與燃油引擎競爭優勢。功率模組是未來發展油電混合動力車與電動車發展演進之共同關鍵組件，以目前台灣在車用全球供應體系中Tier 2~3的重要角色及電子、半導體產業優勢，投入此關鍵組件開發，國內有機會在短時間建立相關技術及市場能量。
圖一、純電動車與各類油電混合車碳排放量比較
目前國際各大功率模組廠商都在發展智慧型功率模組架構。所謂智慧型功率模組(Intelligent Power Module; IPM)是將功率晶片、驅動晶片及相關被動元件封裝在一個結構體中，透過打線互連技術連接功率晶片、電路板及驅動晶片。其最主要的架構是採用導線架搭配陶瓷覆銅基板(Direct Bonded Copper; DBC)，再透過模封製程將其密封，防止元件因水氣氧化失效，提升模組壽命。目前智慧型功率模組的領導廠商包含Infineon Technologies（英飛凌）、Mitsubishi Electric（三菱電機）、Fuji Electric（富士電機）、Semikron（賽米控）等都持續研發車用功率模組技術，以下將概略分析這些國際大廠之功率模組產品封裝架構與基本性能。
賽米控公司的模組架構採用軟性電路板(Flexible Circuit Board)取代傳統打線製程，並使用銀燒結(Silver Sintering)技術將軟性電路板、功率晶片、DBC陶瓷基板與Heat Sink垂直整合，如圖六所示。此封裝架構的優點在於可使模組輕量縮小化，易於整合應用於電動車；同時模組也具備低熱阻與高功率循環測試(Power Cycling Test)壽命。除此之外，可透過材料的選擇，提高軟性電路板的耐溫性，加上軟性電路板易於將相關被動元件、驅動晶片與溫度感測器整合至板上，使模組能達到3D垂直整合之技術。
電性、應力、熱傳模擬分析技術
工研院自行開發之絕緣厚銅基板模組規格為1,200 V/600 A，單一模組可用來驅動電動車馬達或工業用伺服馬達，晶片規格採用1,200 V/200 A之IGBT晶片，模組實際內部結構如圖七所示。此模組搭配銅片橋接(Copper Clip)技術，使用點錫膏製程(Solder Dispenser)將Copper Clip與晶片接合作為模組承載高電流，並透過電性、應力與熱傳模擬分析得到最佳化的模組結構。
由圖八的電性模擬結果可知，絕緣厚銅基板搭配Copper Clip技術相比於傳統DBC陶瓷基板搭配鋁打線技術，可提升75%的電流密度、模組阻抗也可降低7%，代表此模組在高壓高流的驅動下，能降低功率的損耗並提升模組的可靠度。
圖八、絕緣厚銅基板與陶瓷基板電性模擬結果比較
在模組應力分析上，採用有限元素分析法，模擬經過高溫迴焊製程時，因熱膨脹係數不一樣產生之模組翹曲應力(Warpage)，模擬的結果如圖九所示。與傳統DBC與DPC基板相比，絕緣厚銅基板的翹曲應力可下降80%與85%。除此之外，也可透過模擬分析功率晶片在冷熱溫度循環的可靠度測試(Temperature Cycling Test; TCT)下，是否會因熱應力而有破裂的風險。從圖十模擬結果可知，模組在環境溫度150˚C時，功率晶片最大應力為284 MPa…...以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
作者：余泰君、邱柏凱、高國書、張景堯、吳昇財、林欣翰、韓偉國、徐世豐、曾志銘、呂芳俊、張道智／工研院電光系統所
★本文節錄自「工業材料雜誌」380期，更多資料請見下方附檔。