英飞凌参观记:EV功率模块是如何制造出来的?

日经技术在线 综合报道

德国英飞凌科技(Infineon Technologies)在沃斯乐啤酒的产地——瓦尔施泰因(Warstein)设有后工序基地。该公司在召开高输出功率模块新产品发布会之际,邀请参观了该基地。英飞凌介绍,瓦尔施泰因基地主要生产可靠性要求较高的产品,包括工业设备、铁路及可再生能源领域使用的高输出功率模块,以及混合动力车及纯电动汽车等电动车辆用功率模块的封装。这些均为配备IGBT的IGBT模块。英飞凌瓦尔施泰因基地共有约1500名员工。

英飞凌参观记:EV功率模块是如何制造出来的?

瓦尔施泰因还生产双极元件,也就是前工序。前工序由关联企业Infineon Technologies Bipolar(而不是英飞凌)负责。该公司是英飞凌与西门子2007年成立的合资企业。目前约有350名员工。

英飞凌参观记:EV功率模块是如何制造出来的?

瓦尔施泰因基地的历史

此次英飞凌让媒体参观的是宝马的“i3”及“i8”采用的电动车辆用功率模块“HybridPack”系列的生产基地。这是一座被称为Building 38的建筑,也是刚刚于2014年秋季前后投产的新工厂。

后工序大致分为两道

功率模块的后工序大致分为两道。一道是将IGBT芯片和二极管芯片封装到被称为DCB基板的绝缘基板上的“基板(Substrate)工序”。另一道是将封装好芯片的DCB基板装入模块的“外壳(Housing)工序”。两道工序分别在不同的楼层进行,都要经过多道小工序才能完成。

基板工序首先将芯片的背面端焊接到基板上。晶圆已在前工序中切割完成,IGBT和二极管都变成了芯片。机器臂逐一拿起这些芯片配置到基板上之后,再进行焊接。据英飞凌介绍,为了确保追溯性(Traceability),会预先在DCB基板的棱角处封装上保存有ID的小型芯片。

焊接好芯片之后,还要检查是否合格,如果没有问题的话,就会进行引线键合。用引线进行芯片上表面和DCB基板的键合或者芯片上表面之间的键合。键合之后也要检查是否存在连接不良等问题。这些都属于基板工序。如果引线键合没有问题,就会转向外壳工序。

英飞凌参观记:EV功率模块是如何制造出来的?

此次参观的基板工序的一部分

借助人工来完成

外壳工序首先是为DCB基板加上被称为底板的金属板。因为芯片封装在DCB基板的表面,所以底板要安装在DCB的背面。虽然之前的工序除了搬运作业之外,基本上全部采用自动化,但粘合底板的工序则需要在一定程度上借助人工来完成。具体而言,由工人把底板和DCB基板叠放起来收纳到壳体中。将底板和DCB基板放入壳体,连同壳体一起放入装置。在该装置内,底板会被粘合在DCB基板的背面。然后,再用三维X射线装置来检测是否合格,如果没有问题的话,就会转向下一道工序。

粘合好底板之后,就要安装模块的外装——“壳体”了。在底板的上下左右各边涂上粘合剂,安上壳体并用螺丝固定。一系列工序都是在类似于带式传送机的带搬运功能的大型装置内实施的。由设置在该装置内的机器臂拿起并搬运装上带底板的DCB基板和壳体之后的模块。另外,机器臂是日本发那科的产品。

加上壳体之后,需要在模块内部对壳体的金属端子和绝缘基板进行电连接。该金属端子用来向模块内部输入功率或从模块内部向外输出功率。将该端子与DCB基板连接在一起,就能与DCB基板上的功率半导体芯片进行功率交换了。

如果是高输出功率产品的话,因电流较大,要用铜带(Cu)来连接DCB基板和壳体端子。并利用超声波来接合铜带。如果是输出功率较小的功率模块,则会通过铝(Al)丝(而不是铜带)引线键合来连接。

加上护盖进行各种测试

装好壳体后对壳体端子和DCB进行电连接时,模块还处于没有加上“护盖”的状态,可以看到里面的DCB基板和该基板上的芯片。最后,还要在洁净度更高的隔离区,在模块上端加上护盖进行密封,这样模块才算完成。

对制造完成的模块进行温度测试及绝缘测试等各种测试之后,如果没有问题,就可以出货了。该测试工序要在对人来说十分危险的环境中实施,因此完全采用自动化,测试工序车间用金属网隔离起来,以防止工人不小心闯入。模块用机器臂来搬运。温度测试区采用的机器臂是瑞士Staubli公司的“TX60”产品。

在此次参观的Building 38内,笔者看到有些地方留出了大面积空间。向解说员询问,回答说是随着电动车辆的増加,英飞凌预计车载功率模块订单会增多,这些地方是为扩建留出的空间。比如,预定2016年初再增加一条将IGBT芯片及二极管芯片封装到DCB基板上的生产线。

重视日本市场

英飞凌是功率半导体行业的第一大厂商。该公司尤其擅长工业设备、铁路、可再生能源、汽车等领域使用的高输出功率IGBT模块。在世界各地,该公司的各级别功率半导体产品基本上都是数一数二的。对于英飞凌来说,日本是一个非常重要的市场。这是因为日本有一些走在行业前列的汽车厂商和工业设备厂商。

从日本市场来看,虽然与以前相比,英飞凌的份额正在快速提高,但与全球市场相比,该公司的IGBT业务所占的份额并不高。

原因是日本有很多擅长功率半导体业务的企业,包括富士电机、日立制作所、三菱电机、东芝等。为了打破这种局面,英飞凌开始开发高性能的新产品,并在日本进行大力宣传。此次该公司邀请包括笔者在内的日本记者参观工厂,估计也是为了通过日本媒体向日本的大型汽车厂商及工业设备厂商等进行宣传

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