油電混合動力汽車（HEV）和電動汽車（EV）逐漸被市場接受，這為電子產(chǎn)業(yè)創(chuàng)造了諸多商機(jī)。雖然近年來電子組件在典型汽車物料清單中所占的比例逐漸提高，但是采用電力牽引可望成為塑造現(xiàn)代汽車成為電氣裝置的一大進(jìn)展。
作為油電混合動力或純電動汽車高壓基礎(chǔ)設(shè)備的一部份，IGBT轉(zhuǎn)換器功率模塊是用于控制牽引馬達(dá)中傳動系統(tǒng)的關(guān)鍵組件。典型模塊包含1個三相全橋轉(zhuǎn)換器，由6個IGBT開關(guān)和若干續(xù)流二極管組成，如圖1所示。幾個IGBT組件可用在各個開關(guān)位置，以便實現(xiàn)所需的額定電流和導(dǎo)通電阻。
圖1：典型HEV/EV功率模塊的三相轉(zhuǎn)換器。
如果馬達(dá)的額定功率為100Kw（相當(dāng)于134馬力），那么效率高達(dá)97%的模塊會以熱的形式耗散掉3kW左右的能量。如果模塊要提供令人滿意的可靠性，那么有效去除該熱量則是一大關(guān)鍵?，F(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)汽車已經(jīng)建立了很高的可靠性標(biāo)準(zhǔn)，而電動汽車必須達(dá)到這些標(biāo)準(zhǔn)方可獲得廣大消費(fèi)者的接受。
提高模塊可靠性
提高模塊可靠性和額定功率的措施包括采用芯片IGBT和優(yōu)化模塊結(jié)構(gòu)，進(jìn)而將導(dǎo)致焦耳加熱的寄生電損耗降至最低水平，在IGBT晶圓和模塊基板之間實現(xiàn)最低的熱阻。
與第一代油電混合動力汽車采用的功率模塊相較，如今的模塊典型熱迭加被大幅簡化，因而將晶圓和模塊基板之間的熱阻降到了最低程度?；蹇赡芫哂写罅可崞詫崿F(xiàn)空氣冷卻，或者更常見的是利用水/乙二醇混合物進(jìn)行液體冷卻。典型現(xiàn)代IGBT功率模塊的熱迭加和電觸點(diǎn)如圖2所示。
圖2：典型IGBT功率模塊的構(gòu)造。
至于IGBT，適用于現(xiàn)代高功率應(yīng)用中需要高達(dá)300A（或更高）的電流處理能力的組件。這導(dǎo)致晶圓尺寸大至100mm2（或更高）。此外，最新一代組件采用超薄晶圓技術(shù)制造而成，晶圓厚度為100um（或更低），從而使電路路徑長度降至最低，不僅進(jìn)一步提升了導(dǎo)通性能，還降低了電流負(fù)載，有助于提高開關(guān)效率。同時，超薄晶圓技術(shù)還增強(qiáng)了散熱。
然而，超薄晶圓為模塊制造商帶來了艱巨的生產(chǎn)挑戰(zhàn)，最終可能導(dǎo)致產(chǎn)線良率降低。模塊通常采用IGBT裸晶裝配，因而抵銷了任何二次封裝相關(guān)的無晶圓封裝電阻（DFPR）和封裝熱阻（RTHj-c），進(jìn)而提高了能源效率和熱性能。在經(jīng)由負(fù)載電流彈射出來或在后續(xù)處理過程中，大型超薄晶圓可能會折斷。
雖然有時必須使用特殊處理設(shè)備，但當(dāng)模塊暴露在熱循環(huán)時，晶圓尺寸較大可能直接影響可靠性。晶圓尺寸較大會導(dǎo)致晶圓與模塊基底之間CTE嚴(yán)重錯位，因而在焊接的管芯連接器或晶圓上產(chǎn)生較大的應(yīng)力。經(jīng)過多次熱循環(huán)之后，管芯連接器逐漸退化，因而導(dǎo)致IGBT晶圓和基底之間的熱阻增加。這會造成過熱，進(jìn)而降低性能，最終導(dǎo)致模塊過早損壞。
制造商可以通過將晶圓焊接到直接鍵合銅（DBC）基底上來降低材料之間CTE不匹配對結(jié)構(gòu)的影響。這類裝配用鋁焊線（見圖2）將IGBT發(fā)射極連接到模塊終端上，通常會使用幾根直徑介于0.25mm（0.01英吋）和0.5mm（0.02英吋）之間的粗導(dǎo)線?？煽啃詼y試顯示，焊線和熔敷金屬之間的接口很容易疲勞，因此限制了模塊的使用壽命。
在最終測試時，模塊制造商遇到了另一個挑戰(zhàn)──生產(chǎn)良率。他們在封裝前通常無法在全工作電流下測試功率半導(dǎo)體芯片。因此，某些與芯片有關(guān)的故障情形可能只在已裝配模塊的最終測試期間才能發(fā)現(xiàn)，因而降低了良率。
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