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汽车级IGBT特点及芯片封装技术

作者:海飞乐技术 时间:2019-07-26 10:45

  新能源汽车,一个越来越引人关注的话题,节能,环保估计是其产生和流行的最重要的因素,全球的电动汽车销量相对于传统燃油车的比例越来越大,而中国依然成为全球增长速度最快的国家,2016年我国的电动汽车产量超50万辆,预计2020年电动汽车的生产能量会达到200万量,保有量可能会有500万辆,约占全球电动汽车的四至五成。
 
  对新能源车来说,电池、VCU、BSM、电机效率都缺乏提升空间,最有提升空间的当属电机驱动部分,而电机驱动部分最核心的元件IGBT则是最需要重视的。相对于电动汽车这样的产品,电压等级、功率等级、极限工况、可靠性、使用寿命和成本等都对其使用的IGBT模块提出了很高的要求,同时也是很大的挑战,各大模块厂商也纷纷推出自己的汽车级IGBT模块。
 
1. 电动汽车级IGBT特点
  电动汽车大致可以分为乘用车、商用车、物流车等,它们的驱动大致分为纯电动、混合动力和燃料电池动力等。下表列出了电动汽车的电机控制器和IGBT模块的基本要求:
  相对于工业IGBT模块,电动汽车对于驱动系统的功率密度、驱动效率等具有更高的要求,也存在着相应的难点:
  ①车辆运行时,特别实在拥堵的路况时的频繁启停,此时控制器的IGBT模块工作电流会相应的频繁升降,从而导致IGBT的结温快速变化,对于IGBT模块的寿命是个很大的考验;
  ②采用永磁同步电机的电动汽车启动、驻车时,电机工作在近似堵转工况,此时的IGBT模块持续承受着大电流,从而会造成模块的局部过热,这对散热系统的设计带来了挑战,所以汽车一般都是水冷(单面或者双面)。
  ③由于车况的不确定性,汽车级IGBT模块在车辆行驶中会受到较大的震动和冲击,这对于IGBT模块的各引线端子的机械强度提出了较高的要求;
  ④车体的大小限制,对于控制器的大小以及IGBT模块的功率密度提出了更高的要求。
 
2. IGBT芯片技术
  针对上面的对汽车级模块的特殊要求,IGBT芯片正朝着小型化、低功耗、耐高温、更高安全性以及智能化的方向发展。目前最受流行的还属国外的先进企业,因为国内汽车级IGBT芯片技术起步较晚,同时受限于基础工艺和生产条件,技术发展较慢,虽然目前也有国产汽车级芯片,但是相对市场份额不是很大,我们还是聊聊国外芯片技术,英飞凌、富士、三菱等均有开发新一代的电动汽车级IGBT芯片。下面两张图给出 了英飞凌和富士IGBT芯片的技术优化路径:

英飞凌和富士IGBT芯片的技术优化路径 
英飞凌和富士IGBT芯片的技术优化路径 
 
  下表对比了英飞凌、富士、三菱三家公司新一代IGBT产品的工艺路线和关键指标:
IGBT产品的工艺路线和关键指标 
 
3. 汽车级IGBT模块封装技术
  对于IGBT芯片,可能被上面三家占了很大的份额,但是购买芯片自主封装也是现行的一种商业模式,比如说丹佛斯Danfoss,就是一家专注封装技术的公司,目前国内汽车模块也能看到Danfoss的模块。
  IGBT的封装技术是实现电机控制器高温运行、高可靠性、高功率密度的关键环节,涉及到芯片表面互连、贴片互连、导电端子引出互连等相关工艺。目前IGBT模块封装的研究主要集中在新型互连材料、互连方式等相关工艺参数优化等,主要是为了增强模块的散热能力、减小体积,同时提高可靠性。
  ①芯片表面互连技术
  IGBT模块内部常用引线键合的方法将芯片与芯片、芯片与绝缘衬板表面金属化层、半导体绝缘衬板之间以及绝缘衬板与功率端子之间进行电气互连。
  常用的键合线有铝线和铜线两种。
芯片表面互连技术 
 
  其中铝线键合工艺成熟、成本较低,但是铝线键合的电气、热力学性能较差,膨胀系数失配大,影响IGBT使用寿命。而铜线键合工艺具有电气、热力学性能优良等优点,可靠性高,适用于高功率密度、高效散热的模块。但是铜键合工艺的难点是需要对芯片表面进行铜金属化处理,同时需要更高的超声能量,这有可能伤及IGBT芯片。
  引线键合技术相对工艺简单、成本低廉;但也存在缺点,如多根引线并联的邻近效应会引起电流分布不均,寄生电感较大会造成较高的关断过电压,金属引线和半导体芯片之间热膨胀失配会产生热应力,从而影响使用寿命等。为了规避这些缺点,研究人员开发出其他新型芯片表面互联技术:直接电极引出和柔性PCB技术。
芯片表面互连技术 
 
  ②贴片互连技术
  贴片互连是指将芯片下表面与绝缘衬板焊接在一起的互连工艺。软钎焊接是常用的贴片焊接工艺,采用焊膏或焊片作为焊料、真空回流焊接工艺,优点是工艺简单、成本较低。采用软钎焊工艺的焊接层熔点在220 ℃左右,而混合动力电动汽车中IGBT 芯片可能工作在175 ℃,焊接层热负荷过重、模块可靠性低。为此业界开发出了低温银烧结贴片互联工艺,焊料采用纳米或微米级银颗粒。采用这种工艺的焊接层具有高热导率、高电导率、高可靠性的优点,但是工艺实施过程中需要施加高温、高压,材料成本较高,且对设备与工装均提出了较高要求。
 
  ③端子引出技术
  电动汽车用IGBT 模块的功率导电端子需要承载数百安培的大电流,对电导率和热导率有较高的要求,车载环境中还要承受一定的振动和冲击力,机械强度要求高。因此,采用传统焊接工艺的导电端子已难以满足其大电流冲击、热循环作用和机械振动等严苛工况的要求。
  金属超声键合是一种适合电动汽车IGBT 导电端子焊接的工艺。它采用高频超声能量使金属原子在两种材料界面间相互扩散,最终形成一种高强度键合界面。该工艺简单快捷,接触电阻较低,键合强度较高。
 
  ④散热设计
  早期电动汽车用IGBT 通常采用带铜基板的三明治结构,芯片工作中产生的热量流经各导热层,最终经导热硅脂传递给水冷系统。这种结构工艺简单成熟,但是热阻大、散热性能差、结构笨重。目前散热系统的设计采用平面互连和双面冷却技术,使得散热效果大幅提升。
 




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