汽車應用中的IGBT功率模塊

1、汽車應用中的IGBT 功率模塊諸如高環(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IGBTIGBT功率模塊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 為現有的IGBT 功率模塊的主要組成部分。商用電動車（ EV）和混合動力電動車 （HEVHEV）的出現為IGBT 模塊創(chuàng)造了一個

2、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傳動系，IGBT 位于逆變器中，為混合系統的電機提供能量。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 （TC ）達到 80K 到 100K。DUT處于最低和最

3、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TC的條件下進行的，例如從-40-C+150+C，其典型的存儲時間為1 小時。到圖 1：包括基板在內的 IGBT 模塊構架示意圖。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

4、來實現的。最典型的是使用水冷散熱器，但空氣冷卻系統也較常用。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。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

5、。圖 1 為現有的IGBT 功率模塊的主要組成部分。商用電動車（ EV）和混合動力電動車（HEV）的出現為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

6、）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 （TC ）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TC的條件下進行的，例如從-40-C+150+C，其典型的存儲時間為1 小時。到圖 1：包括基板在內的 IGBT 模塊構架示意圖。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

7、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的。最典型的是使用水冷散熱器，但空氣冷卻系統也較常用。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）

8、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，系統的焊錫層出現了分層現象。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

9、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已經損壞的區(qū)域，因此具有更高的可靠性。因

10、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

11、下（絕對最大Tj ，max=1751C）。能在六封裝配置中容納高達 400A 的 600V IGBT3 和于氣冷或采用低溫液體散熱的逆變器系統。 這些模塊擁有EmCon3二極管的HybridPACK1，適用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

12、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破裂；6）預成型的功率端子能避免在生產過程中出現微裂痕。HybridPACK2 是專為帶有高溫液體散熱逆變器系統和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。HybridPACK

13、2 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破裂；7）預成型的功率端子能避免在生產過程中出現微裂痕。諸如 E

14、-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。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：1）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；2）使用間距物進一步減輕了分層效應；（ 3）經過優(yōu)化的

15、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破裂；6）內部雜散電感被降低（與IHM 相比降低了高達 60%）；7）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

16、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。人類在漫長的歲月里，創(chuàng)造了豐富多彩的音樂文化，從古至今，從東方到西方，中國文化藝術，淵源流長。我國最早的歌曲可以追溯到原始社會，例如傳說中伏羲時的【網罟之歌】，詩經中的 【關關雉鳩】，無論是思想內容，還是藝術形式，都已發(fā)展到很高的水平。我們華人音樂有著悠久的歷史，有著獨特的風格，在世界上，希臘的悲劇和喜劇，印度的梵劇和中國的京劇， 被稱為 【世界三大古老戲劇】 ，而京劇則是國之瑰寶， 是我們華人的驕傲，亦是世界上最璀璨的一顆明珠。你可知道高山流水遇知音的故事？你可知道諸葛亮身居空城，面對敵兵壓境，飲酒撫琴的故事？列寧曾經說過：

17、我簡直每天都想聽奇妙而非凡的音樂，我常常自豪的，也許是幼稚的心情想，人類怎么會創(chuàng)造出這樣的奇跡？一個偉大的無產階級革命家，為什么對音樂如此癡狂？音樂究竟能給我們帶來什么？泰戈爾說：我舉目漫望著各處，盡情的感受美的世界，在我視力所及的地方，充滿了彌漫在天地之間的樂曲?！径恳魳罚褪庆`魂的漫步，是心事的訴說，是情愫的流淌，是生命在徜徉，它可以讓寂寞綻放成一朵花， 可以讓時光婉約成一首詩， 可以讓歲月凝聚成一條河， 流過山澗， 流過小溪，流入你我的麥田我相信所有的人，都曾被一首歌感動過，或為其旋律，或某句歌詞，或沒有緣由，只是感動，有的時候，我們喜歡一首歌，并不是這首歌有多么好聽，歌詞寫的多么好，

18、而是歌詞寫的像自己，我們開心的時候聽的是音樂，傷心的時候，慢慢懂得了歌詞，而真正打動你的不是歌詞，而是在你的生命中，關于那首歌的故事或許，在我們每個人的內心深處，都藏著一段如煙的往事，不經陽光，不經雨露，任歲月的青苔覆蓋，而突然間，在某個拐角，或者某間咖啡廳，你突然聽到了一首歌，或是你熟悉的旋律，剎那間，你淚如雨下，即使你不愿意去回憶，可是瞬間便觸碰了你心中最柔軟的地方，蕩起了心靈最深處的漣漪，這就是音樂的神奇，音樂的魅力！【三】德國作曲家，維也納古典音樂代表人貝多芬，49 歲時已經完全失聰，然而，他的成名曲【命運交響曲】卻是震驚世界，震撼我們的心靈，在他的音樂世界里，你能感受到生命的悲愴，歲月的波瀾，和與命運的抗衡