引言
相對于傳統(tǒng)工業(yè)應(yīng)用,，混合動力車(HEV)中的IGBT工作環(huán)境惡劣,，因而對IGBT長期使用的可靠性提出了更高的要求。針對汽車功率模塊需求,，英飛凌通過增強IGBT的功率循環(huán)和溫度循環(huán)特性,，并增加IGBT結(jié)構(gòu)強度，大大提高了IGBT的壽命預(yù)期,。
混合動力車輛中功率半導(dǎo)體模塊的要求
工作環(huán)境惡劣(高溫,、振動)
IGBT位于逆變器中，需要在高環(huán)境溫度及機械沖擊下,，按照特定的汽車驅(qū)動工況,，為混合系統(tǒng)的電機提供能量。
根據(jù)不同車輛設(shè)計,，逆變器可能放置在汽車尾箱,、變速箱內(nèi)或引擎蓋下靠近內(nèi)燃機的位置，因此IGBT模塊要經(jīng)受嚴峻的溫度(-40℃～150℃)和機械條件(振動,、沖擊)的考驗,。
IGBT模塊通常采用發(fā)動機冷卻液冷卻，環(huán)境溫度在極限情況下可達Ta=105℃,，對功率模塊的功率密度及散熱設(shè)計提出了更高的要求,。
復(fù)雜的驅(qū)動工況
不同于工業(yè)應(yīng)用中電機拖動，混合動力車輛驅(qū)動工況更復(fù)雜,，例如對應(yīng)城市工況,，需要頻繁切換于加速、減速、巡航各個狀態(tài),，因此通過IGBT的電流,、電壓并非常量，而是隨車輛工況反復(fù)循環(huán)波動,，IGBT模塊需要在電流,、電壓循環(huán)沖擊下可靠運行。
高可靠性要求
IGBT功率模塊失效將會導(dǎo)致車輛立刻失去動力,，嚴重影響整車廠商信譽和用戶使用體驗,。
汽車生產(chǎn)廠家需要IGBT模塊在HEV全壽命周期中無需更換，對IGBT的耐久性提出了更高要求(汽車整車設(shè)計壽命15年),。
成本控制要求
大規(guī)模生產(chǎn)的汽車不同于列車牽引應(yīng)用,，在性能要求很高的條件下，不能通過增加成本的方法換取可靠性,，需要在成本和性能上達到平衡,，對產(chǎn)品的設(shè)計提出了更高的要求。因此,，針對汽車應(yīng)用中各種限制條件,，需要專用IGBT才能滿足苛刻的應(yīng)用需求。
IGBT結(jié)構(gòu)
圖3顯示了帶基板的功率模塊的結(jié)構(gòu),。兩側(cè)都帶薄銅層的陶瓷襯底被焊接在基板上,。IGBT芯片被焊在設(shè)計好的銅層上。芯片的表面通過綁定線(bonding wire)壓焊到銅層上,。大多數(shù)標準模塊采用這種制作方法,。目前70%到80%的功率模塊都按照標準模塊結(jié)構(gòu)來制造。陶瓷一般采用Al2O3,，基板采用銅為材料,。IGBT底板通過導(dǎo)熱硅脂安裝散熱器。
英飛凌汽車級IGBT可靠性改進
可靠性是IGBT應(yīng)用于汽車中的最大挑戰(zhàn),，除了電壓,、電流等常規(guī)參數(shù)的設(shè)計考慮，涉及IGBT可靠性的主要參數(shù)有：溫度循環(huán)次數(shù)(thermal cycling)和功率循環(huán)次數(shù)(power cycling),，決定了IGBT的使用壽命,，其他參數(shù)例如IGBT機械可靠性特性也需要額外的關(guān)注。
功率循環(huán)
通常,，逆變器設(shè)計主要考慮IGBT Tjmax(最高結(jié)溫)的限制,，但在混合動力車應(yīng)用中，逆變器較少處于恒定工況,，加速,、巡航、減速都會帶來電流、電壓的改變,，由此帶來的ΔTj(結(jié)溫快速變化)將會更大程度影響IGBT的壽命，IGBT導(dǎo)通電流波動時,，綁定線也會隨之?dāng)[動,，對綁定線和IGBT芯片連接可靠性有較大的影響，反復(fù)的擺動可能導(dǎo)致綁定線壽命的耗盡(EOL,， End of Life),，例如綁定線和IGBT芯片焊接脫落、綁定線斷裂等,，直接導(dǎo)致IGBT的損壞,。
為了模擬汽車運行工況，針對HEV頻繁的加速,、減速,、巡航帶來的電流沖擊，英飛凌定義了“秒級功率循環(huán)試驗”(power cycling second,，電流加熱,，外部水冷冷卻)，通過加速老化試驗,，模擬電氣沖擊下綁定線的焊接可靠性,，英飛凌汽車級IGBT需要承受ΔTj=60k，最大節(jié)溫150℃,，0.5s < tcycl<5s,，150kc次功率循環(huán)而不損壞。
相對傳統(tǒng)工業(yè)模塊主要有以下幾點改進：
● 綁定線材料改進;
● 芯片結(jié)構(gòu)加強;
● 綁定線連接回路優(yōu)化;
● 優(yōu)化后的焊接工藝,。
溫度循環(huán)
逆變器在HEV中,，通常位于前艙靠近發(fā)動機或位于傳動機構(gòu)附近，IGBT模塊將承受較高的環(huán)境溫度和溫度變化,，對IGBT模塊內(nèi)部焊接層有較大影響,。
IGBT模塊由多層不同材料組成(見圖3)，每種材料具有不同的CTE(熱膨脹系數(shù)),，CTE的差別會影響功率模塊的使用壽命,，當(dāng)模塊使用時，溫度的變化會在不同層間產(chǎn)生機械應(yīng)力而導(dǎo)致焊接脫落,，我們的目標是選用熱膨脹系數(shù)差別盡可能小的材料來進行焊接組合,。但另一方面，即使它們的熱膨脹系數(shù)十分匹配,，因為材料本身的成本可能會太高,，或者在生產(chǎn)過程中難以被加工或加工成本太高。例如列車牽引應(yīng)用中的AlSiC基板。熱膨脹系數(shù)和襯底幾乎相同,，因此有更好的熱循環(huán)特性,。但對混合動力車應(yīng)用因成本過高而很難被接受。
英飛凌通過改進后的Al2O3陶瓷基片技術(shù),，在不大幅度增加成本的前提下,，同樣可以達到混合動力汽車中熱循環(huán)次數(shù)的要求。
通常IGBT模塊通過被動溫度循環(huán)(Thermal Cycling)加速測試焊接可靠性,，對于汽車級IGBT,，英飛凌定義更嚴酷的熱沖擊試驗(TST，Thermal Shock Test),，相對TC試驗有更大的溫度變化范圍,，-40℃～+125℃，1000次循環(huán)(普通工業(yè)模塊TST只需50次),。
按照英飛凌計算方式,，汽車級IGBT模塊壽命為工業(yè)級2.5倍，為牽引級1/4,，可滿足汽車全壽命使用無需更換模塊要求,，又很好地平衡了成本。
機械結(jié)構(gòu)的加強
除了對上述IGBT內(nèi)部封裝工藝的改進,，英飛凌汽車級IGBT還對IGBT外殼和接線端子進行了增強,，包括溫度特性和機械結(jié)構(gòu)特性的加強，以應(yīng)對汽車嚴酷的應(yīng)用環(huán)境,，例如以下幾個方面,。
(1)溫度特性加強。相較通常工業(yè)應(yīng)用,，汽車內(nèi)IGBT需要承受較高的溫度沖擊,，如果IGBT的外殼材料不夠堅固，將會在溫度沖擊下斷裂損壞,，英飛凌汽車級IGBT需在熱沖擊試驗-40℃～+125℃ 1000次下完好無損,。通過塑料材料和優(yōu)化的工藝參數(shù)，改進后的IGBT外殼可靠性大大增強,。
(2)結(jié)構(gòu)特性加強,。在HEV中，IGBT震動大大超過普通工業(yè)模塊,，外殼和端子將承受較大的機械沖擊,，英飛凌汽車級IGBT可以承受超過5g的機械振動和超過30g的機械沖擊。
英飛凌汽車級IGBT產(chǎn)品
為滿足汽車級應(yīng)用,，英飛凌對推出HEV專用的IGBT模塊,，包括2款產(chǎn)品：
● HybridPACK1—400A/650V IGBT 6單元,，針對電機功率20kW~30kW左右的輕度混合動力汽車;
● HybridPACK2—800A/650V IGBT 6單元，針對電機功率80kW左右的的全混合動力車,。
主要的產(chǎn)品特點：
● 6單元IGBT簡化逆變器設(shè)計;
● 工作結(jié)溫為150℃,，最大節(jié)溫175℃;
● IGBT技術(shù);
● 改進后的綁定線工藝;
● 改進后的陶瓷基片增加焊接可靠性;
● 6 NTC;
● 改進后的綁定線工藝;
● 改進后的陶瓷基片增加焊接可靠性;
● 直接水冷系統(tǒng)，提升模塊散熱能力,。
結(jié)論
隨著功率器件在汽車中越來越多地應(yīng)用,，對可靠性提出了更高的要求， 例如本文描述的功率循環(huán)和溫度循環(huán)特性,。針對汽車應(yīng)用，英飛凌推出的汽車級IGBT模塊具有高可靠性,、長壽命,、適中成本的特點，只有在混合動力汽車應(yīng)用需要專用的功率半導(dǎo)體模塊,，才能保證核心零部件的可靠性,，直接關(guān)系著混合動力車的成功與否。