什么是 IGBT（绝缘栅双极型晶体管）及 IGBT 模块的焊接工艺

编者按：本文在原《什么是 IGBT》科普基础上增补了”IGBT 模块的焊接工艺与设备选型”一节，把器件知识与小马驰骋的焊接设备业务打通，便于承接”IGBT 焊接设备””功率模块焊锡”等 B 端搜索词。

一、什么是 IGBT

IGBT 的学名叫绝缘栅双极型晶体管，它属于半导体器件的一种，IGBT 由 BJT（通过一定的工艺将两个 PN 结组合在一起的器件，具有电流放大作用和流控开关作用）和 MOSFET（绝缘栅场效应晶体管，在半导体衬底材料上扩散形成沟道，然后将沟道孔和绝缘层做成源极、栅极和漏极，具有电压控制功能）复合组成。

BJT 的通、断驱动控制功率很大，开关速度不够快，但通态压降小，可以制成较高电压和较大电流的开关元件；MOSFET 通、断驱动控制功率很小，开关速度快，但是通态压降大，导通损耗大，难以制成高压大电流器件。将 BJT 和 MOSFET 结合在一起组成的 IGBT 同时具备两者的优点。

IGBT 主要用于铁路机车、动车组、电动车辆中交流电电动机的输出控制，实现直流电与交流电之间的转换、控制驱动系统的运行和调整整车输出功率。

（工业用 IGBT 及电动车用 IGBT）
上世纪 60 年代开始，日本三菱公司几乎垄断了工业用 IGBT 的制造市场，而德国的半导体巨头 Infineon 则在车规级 IGBT 制造市场内拥有不可撼动的统治地位。IGBT 的供应链被国外巨头牢牢把控的原因之一是因为 IGBT 的研发和生产具有极高的难度，IGBT 的生产涉及 200 多道工序，一个国家需要在半导体、材料学、化学、基础物理学等领域具有一定的积累，才有望攻克 IGBT 制造的难关。

数据显示，2018 年中国市场消耗的 IGBT 模块为 9878 万个，市场规模约为 153 亿人民币，受益于新能源汽车和工业领域的需求大幅增加，中国 IGBT 市场规模将持续扩大，预计到 2025 年，中国 IGBT 市场规模将达到 522 亿人民币。

在车规级 IGBT 方面，中国车企比亚迪 2005 年开始布局 IGBT，2008 年斥资 2 亿元收购宁波中纬积体（曾向台湾先进的晶圆代工厂购买整厂设备），随后每年持续投入巨额研发资金，继 2009 年初代产品 1.0 研发成功后，2018 年 12 月，比亚迪微电子公司发布了全新一代车载 IGBT 标杆性产品比亚迪 IGBT4.0，2020 年 4 月 28 日，比亚迪半导体在长沙的晶圆厂破土动工，项目总投资约 1.4 亿美元。

二、IGBT 模块为什么离不开精密焊接

IGBT 不是单颗裸片直接能用，而是封装成功率模块：裸片通过焊层固定在覆铜陶瓷基板（DBC/AMB）上，基板再通过焊层或烧结层固定到铜底板上，外部引脚与母线则依赖大面积锡焊实现电气互连。可以说，一个 IGBT 功率模块内部存在多道焊接界面，焊接质量直接决定模块的散热能力、循环寿命与可靠性。

功率模块焊接的典型难点有三个：

1. 多层异材、热匹配苛刻。硅裸片、陶瓷、铜、焊料的热膨胀系数差异大，焊接时如果温度曲线或对位精度失控，冷却后极易产生焊接空洞、裂纹，成为后期失效的源头。

2. 引脚/母线面积大、对空洞率敏感。模块输出端子的锡焊层面积往往很大，传统烙铁或波峰焊容易出现局部受热不均、空洞率偏高，影响载流与散热。

3. 端子间距小、易桥接。高密度功率端子间距窄，手工焊或普通自动化设备容易出现桥接、虚焊，良率上不去。

三、IGBT 焊接的设备选型思路

针对以上难点，小马驰骋的焊接设备可以从不同工艺环节切入：

激光焊锡（推荐用于精密、小间距焊点）。激光焊锡以半导体激光为局部热源，能量集中、热影响区小，特别适合 IGBT 模块中引脚、信号端子等小间距、对热敏感部位的焊接，可显著降低周边器件烧损与桥接风险。对应设备见激光焊锡模组（ULD-02 激光焊锡系统）。

自动焊锡机器人（推荐用于端子/母线的大面积、高一致性锡焊）。对模块输出端子的较大面积锡焊层，桌面式自动焊锡机器人可通过多轴联动、稳定送锡与氮气氛围，把空洞率与一致性控制在量产可接受范围。对应设备见自动焊锡模组与 DF 台式焊锡机器人。

稳定的加热元件保障温度曲线一致。焊接温度曲线的稳定性依赖长寿命加热元件，BH 加热器、BHS 加热器这类长寿命加热组件与配套烙铁头可支撑长时间连续作业下的温度一致性，降低因加热漂移带来的虚焊。

四、给工艺与设备工程师的建议

如果贵司正在导入或优化 IGBT 功率模块的焊接产线，建议先从样品打样 + 空洞率 X 光检测起步，确认焊层工艺窗口后再固化设备参数。具体基板/端子是否适合某种焊接方式，需要结合板材、镀层、端子尺寸与节拍综合判断，欢迎通过深圳市小马驰骋科技与我们的技术团队协商打样方案。

常见问题（FAQ）

什么是 IGBT？

绝缘栅双极型晶体管，由BJT和MOSFET复合而成的半导体器件：兼具BJT通态压降小、可做高压大电流开关，与MOSFET驱动功率小、开关速度快的优点。

IGBT 主要用在什么地方？

铁路机车、动车组、电动车辆中交流电电动机的输出控制，实现直流与交流之间的转换、控制驱动系统运行和调整整车输出功率。

IGBT 模块焊接的难点是什么？

三个典型难点：多层异材热匹配苛刻（易产生空洞、裂纹）；引脚/母线面积大、对空洞率敏感；端子间距小、易桥接虚焊。

IGBT 焊接设备怎么选？

精密小间距焊点用激光焊锡（能量集中、热影响区小）；输出端子大面积锡焊用桌面式自动焊锡机器人（多轴联动、稳定送锡、氮气氛围）；温度曲线一致性依赖长寿命加热元件。建议先样品打样+空洞率X光检测，确认工艺窗口后再固化参数。