面向汽車(chē)應(yīng)用的IGBT功率模塊淺談

諸如高環(huán)境溫度、暴露于機(jī)械沖擊以及特定的驅(qū)動(dòng)循環(huán)等環(huán)境條件，要求對(duì)IGBT功率模塊的機(jī)械和電氣特性給予特別的關(guān)注，以便在整個(gè)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(duì)IGBT的功率和熱循環(huán)、材料選型以及電氣特性等問(wèn)題和故障模式進(jìn)行了探討。

各種工業(yè)應(yīng)用中通常會(huì)使用多達(dá)十幾種的絕緣柵雙極晶體管(IGBT)，設(shè)計(jì)IGBT模塊的目的就是為了向某種專(zhuān)門(mén)的應(yīng)用提供最優(yōu)的性?xún)r(jià)比和適當(dāng)?shù)目煽啃?。圖1為現(xiàn)有的IGBT功率模塊的主要組成部分。

商用電動(dòng)車(chē)(EV)和混合動(dòng)力電動(dòng)車(chē)(HEV)的出現(xiàn)為IGBT模塊創(chuàng)造了一個(gè)新的市場(chǎng)。EV和HEV中對(duì)IGBT功率模塊的可靠性要求最高的部分是傳動(dòng)系，IGBT位于逆變器中，為混合系統(tǒng)的電機(jī)提供能量。根據(jù)傳動(dòng)系的概念，逆變器可以放置在汽車(chē)尾箱、變速箱內(nèi)或引擎蓋下靠近內(nèi)燃機(jī)的位置，因此IGBT模塊要經(jīng)受?chē)?yán)峻的熱和機(jī)械條件(振動(dòng)和沖擊)的考驗(yàn)。

為向汽車(chē)設(shè)計(jì)人員提供高可靠性的標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)IGBT模塊，IGBT設(shè)計(jì)人員必須特別小心地選擇材料和設(shè)計(jì)電氣特性，以得到相似甚至更好的結(jié)果。

熱循環(huán)和熱沖擊試驗(yàn)

在熱循環(huán)(TC)期間，待測(cè)器件(DUT)交替地暴露于被精確設(shè)定的最低和最高溫度下，使其管殼的溫差(ΔT_C)達(dá)到80K到100K。DUT處于最低和最高溫度的存儲(chǔ)時(shí)間必須足以使其達(dá)到熱平衡(即2到6分鐘)。此項(xiàng)試驗(yàn)的重點(diǎn)是檢測(cè)焊接處的疲勞特性。

通過(guò)更嚴(yán)格的試驗(yàn)，還可以研究其它部分(如模塊的框架)所存在的弱點(diǎn)。熱沖擊試驗(yàn)(TST)，也被稱(chēng)作二箱試驗(yàn)，是在經(jīng)過(guò)擴(kuò)展的ΔT_C的條件下進(jìn)行的，例如從-40^oC到+150^oC，其典型的存儲(chǔ)時(shí)間為1小時(shí)。

圖1：包括基板在內(nèi)的IGBT模塊構(gòu)架示意圖。

功率循環(huán)

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

模塊的冷卻是通過(guò)主動(dòng)關(guān)斷負(fù)載電流以及使用外部散熱措施來(lái)實(shí)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(yàn)裝置能在加熱階段停止水流，待進(jìn)入冷卻階段后再重新打開(kāi)水流。通過(guò)功率循環(huán)，能對(duì)綁定線(xiàn)的連接以及焊接處的疲勞特性進(jìn)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(guò)電壓和/或過(guò)電流)所引起的損害外，還會(huì)出現(xiàn)其它一些故障機(jī)制。下面將探討在功率循環(huán)、熱循環(huán)、機(jī)械振動(dòng)或機(jī)械沖擊試驗(yàn)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(yàn)?zāi)芙沂境鱿到y(tǒng)焊錫層(即位于基板和被稱(chēng)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(biāo)準(zhǔn)材料組合在經(jīng)過(guò)600個(gè)熱沖擊試驗(yàn)循環(huán)后，系統(tǒng)的焊錫層出現(xiàn)了分層現(xiàn)象。這一試驗(yàn)結(jié)果反映出所選材料具有不同的熱膨脹系數(shù)(CTE)。兩種材料的熱膨脹系數(shù)相差越大，它們對(duì)于中間層(即焊錫層)的機(jī)械應(yīng)力就越大。

圖2給出了不同材料的熱膨脹系數(shù)。我們的目標(biāo)是選用熱膨脹系數(shù)差別盡可能小的材料來(lái)進(jìn)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(shù)十分匹配，因?yàn)椴牧媳旧淼某杀究赡軙?huì)太高，或者在生產(chǎn)過(guò)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(shù)(CTE)(ppm/K)。

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

在某些情況下，還能觀(guān)察到綁定線(xiàn)跟部出現(xiàn)裂縫。機(jī)械和熱效應(yīng)會(huì)不斷地造成綁定線(xiàn)發(fā)生移動(dòng)，從而引發(fā)裂縫，最終材料疲勞會(huì)導(dǎo)致綁定線(xiàn)本身出現(xiàn)故障。除功率模塊的內(nèi)部部件外，其外殼也會(huì)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(huì)受到超過(guò)5g的機(jī)械振動(dòng)和超過(guò)30g的機(jī)械沖擊。如果不夠堅(jiān)固，功率端子最終就可能被這些振動(dòng)/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(huì)在那里產(chǎn)生已損壞的彎曲區(qū)域。采用預(yù)成型的端子能提高堅(jiān)固性，其在彎曲邊緣不會(huì)出現(xiàn)已經(jīng)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(jìn)行設(shè)計(jì)。

用于HEV的高可靠性IGBT功率模塊

為HEV開(kāi)發(fā)的所有IGBT模塊都有一個(gè)特別的目標(biāo)，就是提供出色的可靠性、合適的電氣特性和最優(yōu)成本?；趯?duì)IGBT功率模塊開(kāi)發(fā)的長(zhǎng)時(shí)間探索，對(duì)于新材料的組合與組裝技術(shù)所投入的巨大研究精力，以及現(xiàn)代功率半導(dǎo)體芯片的使用，英飛凌已經(jīng)開(kāi)發(fā)出HEV專(zhuān)用的兩個(gè)模塊系列：HybridPACK1和HybridPACK2。

這兩種型號(hào)的產(chǎn)品都基于英飛凌領(lǐng)先的IGBT溝道柵場(chǎng)終止技術(shù)，能提供最低的導(dǎo)通和開(kāi)關(guān)損耗。其中所選用的600V的第三代芯片能工作在1501C的結(jié)溫T_j,op下(絕對(duì)最大T_j,max=1751C)。

能在六封裝配置中容納高達(dá)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(jīng)過(guò)改進(jìn)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(jí)別(單個(gè)模塊)和全HEV應(yīng)用的理想選擇，而且通過(guò)并聯(lián)還能達(dá)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(shí)獲得最佳的性?xún)r(jià)比：

采用銅基板和經(jīng)過(guò)改進(jìn)的Al2O3陶瓷的組合來(lái)減小分層效應(yīng)，與AlSiC/Si3N4的組合相比，這一組合還具有成本優(yōu)勢(shì)；使用間距物進(jìn)一步減輕了分層效應(yīng)；每相采用了獨(dú)立的DCB陶瓷，以得到優(yōu)化的熱耦合和熱擴(kuò)散特性；改進(jìn)的綁定線(xiàn)工藝增強(qiáng)了功率循環(huán)能力；選擇適當(dāng)?shù)乃芰喜牧虾徒?jīng)過(guò)優(yōu)化的工藝參數(shù)來(lái)避免在溫度大幅度擺動(dòng)下出現(xiàn)破裂；預(yù)成型的功率端子能避免在生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)微裂痕。

HybridPACK2是專(zhuān)為帶有高溫液體散熱逆變器系統(tǒng)和HEV應(yīng)用而開(kāi)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(dá)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(zhì)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(shí)獲得最佳的性?xún)r(jià)比：

經(jīng)過(guò)優(yōu)化的AlSiC基板和Si₃N₄陶瓷的組合來(lái)提供最低的分層效應(yīng)(同類(lèi)中最佳的解決方案)；使用間距物進(jìn)一步減輕了分層效應(yīng)；每相采用了獨(dú)立的DCB陶瓷，以得到優(yōu)化的熱耦合和熱擴(kuò)散特性；被直接冷卻的基板為功率半導(dǎo)體和散熱媒質(zhì)之間提供了最低的熱阻。采用此方法，能使Tj降低超過(guò)30K(取決于負(fù)載條件和芯片配置)；改進(jìn)的綁定線(xiàn)工藝增強(qiáng)了功率循環(huán)能力；選擇適當(dāng)?shù)乃芰喜牧虾徒?jīng)過(guò)優(yōu)化的工藝參數(shù)來(lái)避免在溫度大幅度擺動(dòng)下出現(xiàn)破裂；預(yù)成型的功率端子能避免在生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)微裂痕。

諸如E-Busses和E-Trucks等高功率電動(dòng)車(chē)輛更需要堅(jiān)固和可靠的IGBT模塊。對(duì)于這些應(yīng)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(jìn)的IGBT4芯片技術(shù)(T_j,op=1501C, T_j,max=1751C)的1,200V/1,400A和1,700V/1,000A的最大半橋配置。

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(shí)獲得最佳的性?xún)r(jià)比：采用銅基板和經(jīng)過(guò)改進(jìn)的Al2O3陶瓷襯底最優(yōu)組合和制造工藝來(lái)減小分層效應(yīng)；使用間距物進(jìn)一步減輕了分層效應(yīng)；經(jīng)過(guò)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%；(4)改進(jìn)的綁定線(xiàn)工藝增強(qiáng)了功率循環(huán)能力；選擇適當(dāng)?shù)乃芰喜牧虾徒?jīng)過(guò)優(yōu)化的工藝參數(shù)來(lái)避免在溫度大幅度擺動(dòng)下出現(xiàn)破裂；內(nèi)部雜散電感被降低(與IHM相比降低了高達(dá)60%)；對(duì)DCB陶瓷處的功率端子連接采用超聲焊接，以提高機(jī)械強(qiáng)度。

本文小結(jié)

由于HEV等汽車(chē)對(duì)于功率半導(dǎo)體模塊的可靠性應(yīng)用具有最高的要求，所以當(dāng)今的供應(yīng)商必須保證并滿(mǎn)足這一市場(chǎng)要求。針對(duì)這類(lèi)應(yīng)用，英飛凌推出了具有優(yōu)化性能和成本的功率半導(dǎo)體模塊：HybridPACK和PrimePACK系列產(chǎn)品。此外，英飛凌還將進(jìn)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(lái)IGBT模塊。

作者：Andreas Volke

英飛凌科技中國(guó)有限公司