汽車應用中的IGBT功率模塊

　　諸如高環境溫度、暴露於機械衝擊以及特定的驅動循環等環境條件，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揮，並保持很高的可靠性。本文對IGBT的功率和熱循環、材料選型以及電氣特性等問題和故障模式進行了探討。

　　各種工業應用中通常會使用多達十幾種的絕緣柵雙極電晶體（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（HEV）的出現為IGBT模塊創造了一個新的市場。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位於逆變器中，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（振動和衝擊）的考驗。

　　為向汽車設計人員提供高可靠性的標準工業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。

　　熱循環和熱衝擊試驗

　　在熱循環（TC）期間，待測器件（DUT）交替地暴露於被精確設定的最低和最高溫度下，使其管殼的溫差（ΔTC）達到80K到100K。DUT處於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。熱衝擊試驗（TST），也被稱作二箱試驗，是在經過擴展的ΔTC的條件下進行的，例如從-40-C到+150+C，其典型的存儲時間為1小時。

　　

　　圖1：包括基板在內的IGBT模塊構架示意圖。

　　功率循環

　　在熱循環/熱衝擊試驗過程中，從外部加熱DUT，而在功率循環（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，待進入冷卻階段後再重新打開水流。通過功率循環，能對綁定線的連接以及焊接處的疲勞特性進行研究。

　　諸如高環境溫度、暴露於機械衝擊以及特定的驅動循環等環境條件，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揮，並保持很高的可靠性。本文對IGBT的功率和熱循環、材料選型以及電氣特性等問題和故障模式進行了探討。

　　各種工業應用中通常會使用多達十幾種的絕緣柵雙極電晶體（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（HEV）的出現為IGBT模塊創造了一個新的市場。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位於逆變器中，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（振動和衝擊）的考驗。

　　為向汽車設計人員提供高可靠性的標準工業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。

　　熱循環和熱衝擊試驗

　　在熱循環（TC）期間，待測器件（DUT）交替地暴露於被精確設定的最低和最高溫度下，使其管殼的溫差（ΔTC）達到80K到100K。DUT處於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。熱衝擊試驗（TST），也被稱作二箱試驗，是在經過擴展的ΔTC的條件下進行的，例如從-40-C到+150+C，其典型的存儲時間為1小時。

　　

　　圖1：包括基板在內的IGBT模塊構架示意圖。

　　功率循環

　　在熱循環/熱衝擊試驗過程中，從外部加熱DUT，而在功率循環（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，待進入冷卻階段後再重新打開水流。通過功率循環，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模塊的電氣規範（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、熱循環、機械振動或機械衝擊試驗中出現的一些典型的故障模式。

　　熱循環和特定的熱衝擊試驗能揭示出系統焊錫層（即位於基板和被稱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過600個熱衝擊試驗循環後，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係數（CTE）。兩種材料的熱膨脹係數相差越大，它們對於中間層（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係數。我們的目標是選用熱膨脹係數差別儘可能小的材料來進行組合。但另一方面，並不是每種材料都是首選的，即使它們的熱膨脹係數十分匹配，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：不同材料的熱膨脹係數（CTE）（ppm/K）。

　　功率循環所引起的故障模式一般位於綁定線的連接位置。通常為綁定線剝離和/或晶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生移動，從而引發裂縫，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的機械衝擊。如果不夠堅固，功率端子最終就可能被這些振動/衝擊破壞。出現故障的位置位於組裝後端子的彎曲部位，微裂隙會在那裡產生已損壞的彎曲區域。採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域，因此具有更高的可靠性。因此，所有用於HEV的英飛凌功率模塊都採用這一方法進行設計。

　　用於HEV的高可靠性IGBT功率模塊

　　為HEV開發的所有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成本。基於對IGBT功率模塊開發的長時間探索，對於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晶片的使用，英飛凌已經開發出HEV專用的兩個模塊系列：HybridPACK1和HybridPACK2。

　　這兩種型號的產品都基於英飛凌領先的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的第三代晶片能工作在1501C的結溫Tj，op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EmCon3二極體的HybridPACK1，適用於氣冷或採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，而且通過並聯還能達到更高的額定功率。

　　HybridPACK1模塊系列採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