面向汽車應用的IGBT功率模塊淺談

中心論題：

由于汽車環(huán)境的復雜多變，EV和HEV中的IGBT模塊要經受嚴峻的熱和機械條件(振動和沖擊)的考驗

在功率循環(huán)、熱循環(huán)、機械振動或機械沖擊試驗中IGBT模塊會出現(xiàn)的一些典型的故障模式

廠商推出用于HEV的高可靠性IGBT功率模塊以應對典型故障模式

解決方案：

選用熱膨脹系數差別盡可能小的材料來進行組合以減小分層效應

采用預成型的端子能提高IGBT模塊的堅固性

廠商推出具有優(yōu)化性能和成本的功率半導體模塊：HybridPACK和PrimePACK系列產品，可以很好的解決試驗中出現(xiàn)的故障模式

諸如高環(huán)境溫度、暴露于機械沖擊以及特定的驅動循環(huán)等環(huán)境條件，要求對IGBT功率模塊的機械和電氣特性給予特別的關注，以便在整個使用壽命期間能確保其性能得到充分發(fā)揮，并保持很高的可靠性。本文對IGBT的功率和熱循環(huán)、材料選型以及電氣特性等問題和故障模式進行了探討。

各種工業(yè)應用中通常會使用多達十幾種的絕緣柵雙極晶體管(IGBT)，設計IGBT模塊的目的就是為了向某種專門的應用提供最優(yōu)的性價比和適當的可靠性。圖1為現(xiàn)有的IGBT功率模塊的主要組成部分。

圖1：包括基板在內的IGBT模塊構架示意圖

商用電動車(EV)和混合動力電動車(HEV)的出現(xiàn)為IGBT模塊創(chuàng)造了一個新的市場。EV和HEV中對IGBT功率模塊的可靠性要求最高的部分是傳動系，IGBT位于逆變器中，為混合系統(tǒng)的電機提供能量。根據傳動系的概念，逆變器可以放置在汽車尾箱、變速箱內或引擎蓋下靠近內燃機的位置，因此IGBT模塊要經受嚴峻的熱和機械條件(振動和沖擊)的考驗。

為向汽車設計人員提供高可靠性的標準工業(yè)IGBT模塊，IGBT設計人員必須特別小心地選擇材料和設計電氣特性，以得到相似甚至更好的結果。

熱循環(huán)和熱沖擊試驗

在熱循環(huán)(TC)期間，待測器件(DUT)交替地暴露于被精確設定的最低和最高溫度下，使其管殼的溫差(ΔTC)達到80K到100K。DUT處于最低和最高溫度的存儲時間必須足以使其達到熱平衡(即2到6分鐘)。此項試驗的重點是檢測焊接處的疲勞特性。

通過更嚴格的試驗，還可以研究其它部分(如模塊的框架)所存在的弱點。熱沖擊試驗(TST)，也被稱作二箱試驗，是在經過擴展的ΔTC的條件下進行的，例如從-40oC到+150oC，其典型的存儲時間為1小時。

功率循環(huán)

在熱循環(huán)/熱沖擊試驗過程中，從外部加熱DUT，而在功率循環(huán)(PC)期間，DUT被流經模塊內部的負載電流主動地加熱。因此，模塊內部的溫度梯度和不同材料層的溫度都比熱循環(huán)過程中高得多。

模塊的冷卻是通過主動關斷負載電流以及使用外部散熱措施來實現(xiàn)的。最典型的是使用水冷散熱器，但空氣冷卻系統(tǒng)也較常用。試驗裝置能在加熱階段停止水流，待進入冷卻階段后再重新打開水流。通過功率循環(huán)，能對綁定線的連接以及焊接處的疲勞特性進行研究。

IGBT模塊的故障模式

除由超出IGBT模塊的電氣規(guī)范(如過電壓和/或過電流)所引起的損害外，還會出現(xiàn)其它一些故障機制。下面將探討在功率循環(huán)、熱循環(huán)、機械振動或機械沖擊試驗中出現(xiàn)的一些典型的故障模式。

熱循環(huán)和特定的熱沖擊試驗能揭示出系統(tǒng)焊錫層(即位于基板和被稱作陶瓷襯底的直接鍵合銅，即DCB之間)的耐久度信息。銅基板和Al2O3陶瓷的標準材料組合在經過600個熱沖擊試驗循環(huán)后，系統(tǒng)的焊錫層出現(xiàn)了分層現(xiàn)象。這一試驗結果反映出所選材料具有不同的熱膨脹系數(CTE)。兩種材料的熱膨脹系數相差越大，它們對于中間層(即焊錫層)的機械應力就越大。

圖2給出了不同材料的熱膨脹系數。我們的目標是選用熱膨脹系數差別盡可能小的材料來進行組合。但另一方面，并不是每種材料都是首選的，即使它們的熱膨脹系數十分匹配，因為材料本身的成本可能會太高，或者在生產過程中難以被加工或加工成本太高。

圖2：不同材料的熱膨脹系數(CTE)(ppm/K)

功率循環(huán)所引起的故障模式一般位于綁定線的連接位置。通常為綁定線剝離和/或芯片頂部的鋁金屬化重建。

在某些情況下，還能觀察到綁定線跟部出現(xiàn)裂縫。機械和熱效應會不斷地造成綁定線發(fā)生移動，從而引發(fā)裂縫，最終材料疲勞會導致綁定線本身出現(xiàn)故障。除功率模塊的內部部件外，其外殼也會被外部的極端環(huán)境和/或工作條件所損壞。例如出現(xiàn)外殼框架的破裂。

在HEV中，隨著IGBT模塊安裝位置的不同，可能會受到超過5g的機械振動和超過30g的機械沖擊。如果不夠堅固，功率端子最終就可能被這些振動/沖擊破壞。出現(xiàn)故障的位置位于組裝后端子的彎曲部位，微裂隙會在那里產生已損壞的彎曲區(qū)域。采用預成型的端子能提高堅固性，其在彎曲邊緣不會出現(xiàn)已經損壞的區(qū)域，因此具有更高的可靠性。因此，所有用于HEV的英飛凌功率模塊都采用這一方法進行設計。

用于HEV的高可靠性IGBT功率模塊

為HEV開發(fā)的所有IGBT模塊都有一個特別的目標，就是提供出色的可靠性、合適的電氣特性和最優(yōu)成本。基于對IGBT功率模塊開發(fā)的長時間探索，對于新材料的組合與組裝技術所投入的巨大研究精力，以及現(xiàn)代功率半導體芯片的使用，英飛凌已經開發(fā)出HEV專用的兩個模塊系列：HybridPACK1和HybridPACK2。

這兩種型號的產品都基于英飛凌領先的IGBT溝道柵場終止技術，能提供最低的導通和開關損耗。其中所選用的600V的第三代芯片能工作在1501C的結溫Tj,op下(絕對最大Tj,max=1751C)。

能在六封裝配置中容納高達400A的600V IGBT3和EmCon3二極管的HybridPACK1，適用于氣冷或采用低溫液體散熱的逆變器系統(tǒng)。這些模塊擁有3mm銅基板和經過改進的Al2O3 DCB陶瓷襯底，具有最佳的可靠性和成本;它們是峰值20kW功率級別(單個模塊)和全HEV應用的理想選擇，而且通過并聯(lián)還能達到更高的額定功率。

HybridPACK1模塊系列采用了下面這些特殊的措施以便在提供高可靠性的同時獲得最佳的性價比：

1.采用銅基板和經過改進的Al2O3陶瓷的組合來減小分層效應，與AlSiC/Si3N4的組合相比，這一組合還具有成本優(yōu)勢;

2.使用間距物進一步減輕了分層效應;

3.每相采用了獨立的DCB陶瓷，以得到優(yōu)化的熱耦合和熱擴散特性;

4.改進的綁定線工藝增強了功率循環(huán)能力;

5.選擇適當的塑料材料和經過優(yōu)化的工藝參數來避免在溫度大幅度擺動下出現(xiàn)破裂;

6.預成型的功率端子能避免在生產過程中出現(xiàn)微裂痕。

HybridPACK2是專為帶有高溫液體散熱逆變器系統(tǒng)和HEV應用而開發(fā)的。作為直接液冷散熱的功率模塊，其能在散熱溫度高達1051C的條件下工作。這一模塊系列的AlSiC基板上集成有直接插入液體冷卻媒質中的鰭片狀散熱片。此模塊具有最大六封裝600V/800A IGBT3的配置。

HybridPACK2模塊系列采用了下面這些特殊的措施以便在提供高可靠性的同時獲得最佳的性價比：

1.經過優(yōu)化的AlSiC基板和Si3N4陶瓷的組合來提供最低的分層效應(同類中最佳的解決方案);

2.使用間距物進一步減輕了分層效應;

3.每相采用了獨立的DCB陶瓷，以得到優(yōu)化的熱耦合和熱擴散特性;

4.被直接冷卻的基板為功率半導體和散熱媒質之間提供了最低的熱阻。采用此方法，能使Tj降低超過30K(取決于負載條件和芯片配置);

5.改進的綁定線工藝增強了功率循環(huán)能力;

6.選擇適當的塑料材料和經過優(yōu)化的工藝參數來避免在溫度大幅度擺動下出現(xiàn)破裂;

7.預成型的功率端子能避免在生產過程中出現(xiàn)微裂痕。

諸如E-Busses和E-Trucks等高功率電動車輛更需要堅固和可靠的IGBT模塊。對于這些應用， PrimePACK系列模塊是理想的選擇。它們具有兩種不同的封裝形式，并具有采用英飛凌最先進的IGBT4芯片技術(Tj,op=1501C, Tj,max=1751C)的1,200V/1,400A和1,700V/1,000A的最大半橋配置。

1.PrimePACK模塊系列采用了下面這些特殊的措施使得在高可靠性的同時獲得最佳的性價比：

2.采用銅基板和經過改進的Al2O3陶瓷襯底最優(yōu)組合和制造工藝來減小分層效應;

3.使用間距物進一步減輕了分層效應;

4.經過優(yōu)化的芯片布局能提供最低的熱阻，這樣可使熱阻比上一代(即IHM)的高功率器件降低30%;

5. 改進的綁定線工藝增強了功率循環(huán)能力;

6.選擇適當的塑料材料和經過優(yōu)化的工藝參數來避免在溫度大幅度擺動下出現(xiàn)破裂;

7.內部雜散電感被降低(與IHM相比降低了高達60%);

8.對DCB陶瓷處的功率端子連接采用超聲焊接，以提高機械強度。

本文小結

由于HEV等汽車對于功率半導體模塊的可靠性應用具有最高的要求，所以當今的供應商必須保證并滿足這一市場要求。針對這類應用，英飛凌推出了具有優(yōu)化性能和成本的功率半導體模塊：HybridPACK和PrimePACK系列產品。此外，英飛凌還將進一步投資用于研發(fā)能在更苛刻的功率密度和環(huán)境溫度條件下提供更高可靠性的未來IGBT模塊。