面向汽車(chē)應用的IGBT功率模塊淺談
諸如高環(huán)境溫度、暴露于機械沖擊以及特定的驅動(dòng)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(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)應用中通常會(huì )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(zhuān)門(mén)的應用提供*優(yōu)的性?xún)r(jià)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(dòng)車(chē)（EV）和混合動(dòng)力電動(dòng)車(chē)（HEV）的出現為IGBT模塊創(chuàng )造了一個(gè)新的市場(chǎng)。EV和HEV中對IGBT功率模塊的可
靠性要求*高的部分是傳動(dòng)系，IGBT位于逆變器中，為混合系統的電機提供能量。根據傳動(dòng)系的概念，逆變器可以放置在汽車(chē)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(jīng)受?chē)谰臒岷蜋C械條件（振動(dòng)和沖擊）的考驗。
為向汽車(chē)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**設定的*低和*高溫度下，使其管殼的溫差（ΔTC）達到80K到100K。DUT處于*低和*高溫度的存儲時(shí)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(diǎn)是檢測焊接處的疲勞特性。
通過(guò)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(diǎn)。熱沖擊試驗（TST），也被稱(chēng)作二箱試驗，是在經(jīng)過(guò)擴展的ΔTC的條件下進(jìn)行的，例如從-40oC到+150oC，其典型的存儲時(shí)間為1小時(shí)。
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(guò)程中，從外部加熱DUT，而在功率循環(huán)（PC）期間，DUT被流經(jīng)模塊內部的負載電流主動(dòng)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(guò)程中高得多。
模塊的冷卻是通過(guò)主動(dòng)關(guān)斷負載電流以及使用外部散熱措施來(lái)實(shí)現的。*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(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模塊的電氣規范（如過(guò)電壓和/或過(guò)電流）所引起的損害外，還會(huì )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(dòng)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(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陶瓷的標準材料組合在經(jīng)過(guò)600個(gè)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(lái)進(jìn)行組合。但另一方面，并不是每種材料都是優(yōu)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(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（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)跟部出現裂縫。機械和熱效應會(huì )不斷地造成綁定線(xiàn)發(fā)生移動(dòng)，從而引發(fā)裂縫，*終材料疲勞會(huì )導致綁定線(xiàn)本身出現故障。除功率模塊的內部部件外，其外殼也會(huì )被外部的極端環(huán)境和/或工作條件所損壞。例如出現外殼框架的破裂。
在HEV中，隨著(zhù)IGBT模塊安裝位置的不同，可能會(huì )受到超過(guò)5g的機械振動(dòng)和超過(guò)30g的機械沖擊。如果不夠堅固，功率端子*終就可能被這些振動(dòng)/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(huì )在那里產(chǎn)生已損壞的彎曲區域。采用預成型的端子能提高堅固性，其在彎曲邊緣不會(huì )出現已經(jīng)損壞的區域，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)行設計。
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，就是提供出色的可靠性、合適的電氣特性和*優(yōu)成本?；趯GBT功率模塊開(kāi)發(fā)的長(cháng)時(shí)間探索，對于新材料的組合與組裝技術(shù)所投入的巨大研究精力，以及現代功率半導體芯片的使用，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。
這兩種型號的產(chǎn)品都基于英飛凌的IGBT溝道柵場(chǎng)終止技術(shù)，能提供*低的導通和開(kāi)關(guān)損耗。其中所選用的600V的第三代芯片能工作在1501C的結溫Tj，op下（***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。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，具有可靠性和成本；它們是峰值20kW功率級別（單個(gè)模塊）和全HEV應用的理想選擇，而且通過(guò)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(shí)獲得性?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，與AlSiC/Si3N4的組合相比，這一組合還具有成本優(yōu)勢；
使用間距物進(jìn)一步減輕了分層效應；
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；
改進(jìn)的綁定線(xiàn)工藝增強了功率循環(huán)能力；
選擇適當的塑料材料和經(jīng)過(guò)優(yōu)化的工藝參數來(lái)避免在溫度大幅度擺動(dòng)下出現破裂；
預成型的功率端子能避免在生產(chǎn)過(guò)程中出現微裂痕。
HybridPACK2是專(zhuān)為帶有高溫液體散熱逆變器系統和HEV應用而開(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*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*低的分層效應；
使用間距物進(jìn)一步減輕了分層效應；
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；
被直接冷卻的基板為功率半導體和散熱媒質(zhì)之間提供了*低的熱阻。采用此方法，能使Tj降低超過(guò)30K（取決于負載條件和芯片配置）；
改進(jìn)的綁定線(xiàn)工藝增強了功率循環(huán)能力；
選擇適當的塑料材料和經(jīng)過(guò)優(yōu)化的工藝參數來(lái)避免在溫度大幅度擺動(dòng)下出現破裂；
預成型的功率端子能避免在生產(chǎn)過(guò)程中出現微裂痕。
諸如E-Busses和E-Trucks等高功率電動(dòng)車(chē)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IGBT4芯片技術(shù)（Tj，op=1501C， Tj，max=1751C）的1，200V/1，400A和1，700V/1，000A的*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)獲得性?xún)r(jià)比：
采用銅基板和經(jīng)過(guò)改進(jìn)的Al2O3陶瓷襯底*優(yōu)組合和制造工藝來(lái)減小分層效應；
使用間距物進(jìn)一步減輕了分層效應；
經(jīng)過(guò)優(yōu)化的芯片布局能提供*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)工藝增強了功率循環(huán)能力；
選擇適當的塑料材料和經(jīng)過(guò)優(yōu)化的工藝參數來(lái)避免在溫度大幅度擺動(dòng)下出現破裂；
內部雜散電感被降低（與IHM相比降低了高達60%）；
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(chē)對于功率半導體模塊的可靠性應用具有*高的要求，所以當今的供應商必須保證并滿(mǎn)足這一市場(chǎng)要求。針對這類(lèi)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(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。