【技術(shù)分享】汽車(chē)級(jí) IGBT 與普通 IGBT 有何異同？

而電動(dòng)汽車(chē)飛速發(fā)展，也帶動(dòng)了其所需配套零件的發(fā)展，而其中最重要的核心部件，想必大家也猜到了，我們最關(guān)心的大功率開(kāi)關(guān)器件——IGBT 模塊。相對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)這樣的產(chǎn)品，電壓等級(jí)、功率等級(jí)、極限工況、可靠性、使用壽命和成本等都對(duì)其使用的 IGBT 模塊提出了很高的要求，同時(shí)也是很大的挑戰(zhàn)，各大模塊廠商也紛紛推出自己的汽車(chē)級(jí) IGBT 模塊。今天我們就來(lái)聊聊主要廠家的 IGBT 模塊技術(shù)和相關(guān)情況。

 

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電動(dòng)汽車(chē)級(jí) IGBT 特點(diǎn)

電動(dòng)汽車(chē)大致可以分為乘用車(chē)、商用車(chē)、物流車(chē)等，它們的驅(qū)動(dòng)大致分為純電動(dòng)、混合動(dòng)力和燃料電池動(dòng)力等。下表列出了電動(dòng)汽車(chē)的電機(jī)控制器和 IGBT 模塊的基本要求：

 

 

相對(duì)于工業(yè) IGBT 模塊，電動(dòng)汽車(chē)對(duì)于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的功率密度、驅(qū)動(dòng)效率等具有更高的要求，也存在著相應(yīng)的難點(diǎn)：

 

①車(chē)輛運(yùn)行時(shí)，特別實(shí)在擁堵的路況時(shí)的頻繁啟停，此時(shí)控制器的 IGBT 模塊工作電流會(huì)相應(yīng)的頻繁升降，從而導(dǎo)致 IGBT 的結(jié)溫快速變化，對(duì)于 IGBT 模塊的壽命是個(gè)很大的考驗(yàn)；

 

②采用永磁同步電機(jī)的電動(dòng)汽車(chē)啟動(dòng)、駐車(chē)時(shí)，電機(jī)工作在近似堵轉(zhuǎn)工況，此時(shí)的 IGBT 模塊持續(xù)承受著大電流，從而會(huì)造成模塊的局部過(guò)熱，這對(duì)散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來(lái)了挑戰(zhàn)，所以汽車(chē)一般都是水冷(單面或者雙面)。

 

③由于車(chē)況的不確定性，汽車(chē)級(jí) IGBT 模塊在車(chē)輛行駛中會(huì)受到較大的震動(dòng)和沖擊，這對(duì)于 IGBT 模塊的各引線端子的機(jī)械強(qiáng)度提出了較高的要求；

 

④車(chē)體的大小限制，對(duì)于控制器的大小以及 IGBT 模塊的功率密度提出了更高的要求。

 

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電動(dòng)汽車(chē) IGBT 芯片和模塊的現(xiàn)狀研究

IGBT 芯片技術(shù)

針對(duì)上面的對(duì)汽車(chē)級(jí)模塊的特殊要求，IGBT 芯片正朝著小型化、低功耗、耐高溫、更高安全性以及智能化的方向發(fā)展。目前最受流行的還屬國(guó)外的先進(jìn)企業(yè)，因?yàn)閲?guó)內(nèi)汽車(chē)級(jí) IGBT 芯片技術(shù)起步較晚，同時(shí)受限于基礎(chǔ)工藝和生產(chǎn)條件，技術(shù)發(fā)展較慢，雖然目前也有國(guó)產(chǎn)汽車(chē)級(jí)芯片，但是相對(duì)市場(chǎng)份額不是很大，我們還是聊聊國(guó)外芯片技術(shù)，英飛凌、富士、三菱等均有開(kāi)發(fā)新一代的電動(dòng)汽車(chē)級(jí) IGBT 芯片。下面兩張圖給出 了英飛凌和富士 IGBT 芯片的技術(shù)優(yōu)化路徑：

 

Infineon

 

FUJI

 

下表對(duì)比了英飛凌、富士、三菱三家公司新一代 IGBT 產(chǎn)品的工藝路線和關(guān)鍵指標(biāo)：

 

 

汽車(chē)級(jí) IGBT 模塊封裝技術(shù)

 

對(duì)于 IGBT 芯片，可能被上面三家占了很大的份額，但是購(gòu)買(mǎi)芯片自主封裝也是現(xiàn)行的一種商業(yè)模式，比如說(shuō)丹佛斯 Danfoss，就是一家專注封裝技術(shù)的公司，目前國(guó)內(nèi)汽車(chē)模塊也能看到 Danfoss 的模塊。

 

IGBT 的封裝技術(shù)是實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制器高溫運(yùn)行、高可靠性、高功率密度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，涉及到芯片表面互連、貼片互連、導(dǎo)電端子引出互連等相關(guān)工藝。目前 IGBT 模塊封裝的研究主要集中在新型互連材料、互連方式等相關(guān)工藝參數(shù)優(yōu)化等，主要是為了增強(qiáng)模塊的散熱能力、減小體積，同時(shí)提高可靠性。

 

①芯片表面互連技術(shù)

IGBT 模塊內(nèi)部常用引線鍵合的方法將芯片與芯片、芯片與絕緣襯板表面金屬化層、半導(dǎo)體絕緣襯板之間以及絕緣襯板與功率端子之間進(jìn)行電氣互連。

 

常用的鍵合線有鋁線和銅線兩種。

 

 

其中鋁線鍵合工藝成熟、成本較低，但是鋁線鍵合的電氣、熱力學(xué)性能較差，膨脹系數(shù)失配大，影響 IGBT 使用壽命。而銅線鍵合工藝具有電氣、熱力學(xué)性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，可靠性高，適用于高功率密度、高效散熱的模塊。但是銅鍵合工藝的難點(diǎn)是需要對(duì)芯片表面進(jìn)行銅金屬化處理，同時(shí)需要更高的超聲能量，這有可能傷及 IGBT 芯片。

 

引線鍵合技術(shù)相對(duì)工藝簡(jiǎn)單、成本低廉；但也存在缺點(diǎn)，如多根引線并聯(lián)的鄰近效應(yīng)會(huì)引起電流分布不均，寄生電感較大會(huì)造成較高的關(guān)斷過(guò)電壓，金屬引線和半導(dǎo)體芯片之間熱膨脹失配會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力，從而影響使用壽命等。為了規(guī)避這些缺點(diǎn)，研究人員開(kāi)發(fā)出其他新型芯片表面互聯(lián)技術(shù):直接電極引出和柔性 PCB 技術(shù)。

 

 

②貼片互連技術(shù)

貼片互連是指將芯片下表面與絕緣襯板焊接在一起的互連工藝。軟釬焊接是常用的貼片焊接工藝，采用焊膏或焊片作為焊料、真空回流焊接工藝，優(yōu)點(diǎn)是工藝簡(jiǎn)單、成本較低。采用軟釬焊工藝的焊接層熔點(diǎn)在 220 ℃左右，而混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)中 IGBT 芯片可能工作在 175 ℃，焊接層熱負(fù)荷過(guò)重、模塊可靠性低。為此業(yè)界開(kāi)發(fā)出了低溫銀燒結(jié)貼片互聯(lián)工藝，焊料采用納米或微米級(jí)銀顆粒。采用這種工藝的焊接層具有高熱導(dǎo)率、高電導(dǎo)率、高可靠性的優(yōu)點(diǎn)，但是工藝實(shí)施過(guò)程中需要施加高溫、高壓，材料成本較高，且對(duì)設(shè)備與工裝均提出了較高要求。

 

③端子引出技術(shù)

電動(dòng)汽車(chē)用 IGBT 模塊的功率導(dǎo)電端子需要承載數(shù)百安培的大電流，對(duì)電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率有較高的要求，車(chē)載環(huán)境中還要承受一定的振動(dòng)和沖擊力，機(jī)械強(qiáng)度要求高。因此，采用傳統(tǒng)焊接工藝的導(dǎo)電端子已難以滿足其大電流沖擊、熱循環(huán)作用和機(jī)械振動(dòng)等嚴(yán)苛工況的要求。

 

金屬超聲鍵合是一種適合電動(dòng)汽車(chē) IGBT 導(dǎo)電端子焊接的工藝。它采用高頻超聲能量使金屬原子在兩種材料界面間相互擴(kuò)散，最終形成一種高強(qiáng)度鍵合界面。該工藝簡(jiǎn)單快捷，接觸電阻較低，鍵合強(qiáng)度較高。

 

④散熱設(shè)計(jì)

早期電動(dòng)汽車(chē)用 IGBT 通常采用帶銅基板的三明治結(jié)構(gòu)，芯片工作中產(chǎn)生的熱量流經(jīng)各導(dǎo)熱層，最終經(jīng)導(dǎo)熱硅脂傳遞給水冷系統(tǒng)。這種結(jié)構(gòu)工藝簡(jiǎn)單成熟，但是熱阻大、散熱性能差、結(jié)構(gòu)笨重。目前散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用平面互連和雙面冷卻技術(shù)，使得散熱效果大幅提升。

 

 

小結(jié)：

國(guó)際主流的電動(dòng)汽車(chē) IGBT 模塊生產(chǎn)廠家，如英飛凌、富士電機(jī)、三菱電機(jī)、賽米控、博世、電裝等，均成功推出了系列化產(chǎn)品，并在電動(dòng)汽車(chē)上得到較為廣泛的應(yīng)用。

 

當(dāng)然，電動(dòng)汽車(chē)雖然已有多種車(chē)型量產(chǎn)上市，但是對(duì)于它的提升和優(yōu)化空間還很大。不僅僅是我們說(shuō)的 IGBT 模塊，還有其他關(guān)鍵元器件的發(fā)展，比如電池(里程和充電速度)，而且外在設(shè)備也很重要，比如充電問(wèn)題。

 

所以電動(dòng)汽車(chē)還會(huì)不斷發(fā)展，現(xiàn)在看來(lái)，也僅僅是前中期。