IGBT模塊結(jié)構(gòu)及老化簡(jiǎn)介

文章來(lái)源于：電力電子技術(shù)與新能源

對(duì)于工程設(shè)計(jì)人員來(lái)講，IGBT芯片的性能，可以從規(guī)格書中很直觀地得到。但是，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，這些性能能夠發(fā)揮出來(lái)多少，就要看“封裝“了，畢竟夏天穿著棉襖工作任誰(shuí)也扛不住，因此，對(duì)于怕熱的IGBT芯片來(lái)講，就是要穿得“涼快”

電動(dòng)汽車逆變器的應(yīng)用上，國(guó)際大廠還是傾向于自主封裝的IGBT，追求散熱效率的同時(shí)，以最優(yōu)化空間布局，匹配系統(tǒng)需求。

IGBT制造流程

晶圓生產(chǎn)：包含硅提煉及提純、單晶硅生長(zhǎng)、晶圓成型三個(gè)步驟，目前國(guó)際主流是8英寸晶圓，部分晶圓廠12英寸產(chǎn)線逐步投產(chǎn)，晶圓尺寸越大，良品率越高，最終生產(chǎn)的單個(gè)器件成本越低，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力越大

芯片設(shè)計(jì)：IGBT制造的前期關(guān)鍵流程，目前主流的商業(yè)化產(chǎn)品基于Trench-FS設(shè)計(jì)，不同廠家設(shè)計(jì)的IGBT芯片特點(diǎn)不同，表現(xiàn)在性能上有一定差異

芯片制造：芯片制造高度依賴產(chǎn)線設(shè)備和工藝，全球能制造出頂尖***的廠商不足五家；要把先進(jìn)的芯片設(shè)計(jì)在工藝上實(shí)現(xiàn)有非常大的難度，尤其是薄片工藝和背面工藝，目前這方面國(guó)內(nèi)還有一些差距

器件封裝：器件生產(chǎn)的后道工序，需要完整的封裝產(chǎn)線，核心設(shè)備依賴進(jìn)口

IGBT芯片

以英飛凌IGBT芯片發(fā)展歷程為例

不同廠商技術(shù)路線略有不同。 正所謂班門不弄斧，這部分給大家推薦一篇文章： https://mp.weixin.qq.com/s/F8cQltQqad6zLUBC71TuwQ《英飛凌芯片簡(jiǎn)史》，很有意思。

IGBT封裝

看圖：

IGBT模塊的典型封裝工序： 芯片和DBC焊接綁線——>DBC和銅底板焊接——>安裝外殼——>灌注硅膠——>密封——>終測(cè)

1DBC（Direct Bonding Copper）

DBC（覆銅陶瓷基板）的作用：絕緣、導(dǎo)熱，銅箔上可以刻蝕出各種圖形，方便走電流。

對(duì)導(dǎo)熱陶瓷的基本要求是導(dǎo)熱、絕緣和良好的機(jī)械性能，目前常用的導(dǎo)熱陶瓷材料參數(shù)：

IGBT模塊常用的DBC散熱陶瓷材料是氧化鋁，應(yīng)用最為成熟，為了繼續(xù)提升模塊的散熱性能，部分模塊廠商在高性能產(chǎn)品上采用氮化鋁或氮化硅陶瓷基板，顯著增加散熱效率，提升模塊的功率密度。

2電流路徑

剛開始接觸IGBT模塊的人，打開IGBT或許會(huì)有點(diǎn)迷惑，這里簡(jiǎn)單普及一下：



對(duì)于模塊，為了提升通流能力，一般會(huì)采用多芯片并聯(lián)的方式。

3散熱路徑

單面散熱模塊散熱路徑如下圖所示，芯片為發(fā)熱源，通過(guò)DBC、銅底板傳導(dǎo)至散熱器。

散熱路徑的熱阻越低越好，除了DBC采用熱導(dǎo)率更高的高導(dǎo)熱陶瓷材料之外，IGBT模塊制造商在焊接工藝上下了不少功夫。 目前最成熟的焊接工藝采用的焊料是錫，為了滿足高性能場(chǎng)合的應(yīng)用，部分產(chǎn)品芯片與DBC的焊接部分采用銀燒結(jié)技術(shù)，增強(qiáng)散熱路徑的導(dǎo)熱性和可靠性。 對(duì)于單管方案，單管與散熱底板的燒結(jié)逐漸成為趨勢(shì)。

典型案例：

單管功率模組的散熱原理與模塊類似。 Model 3的SiC單管與散熱器的焊接采用銀燒結(jié)的方式，與Model X相比，顯著提高了功率模塊散熱路徑的散熱效率和可靠性。

老化失效

一般采用加速老化試驗(yàn)對(duì)IGBT模塊的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證，功率循環(huán)（PC）試驗(yàn)最為常用。 功率循環(huán)過(guò)程中，芯片結(jié)溫波動(dòng)時(shí)，由于材料膨脹系數(shù)(coefficient of thermal expansion，CTE)不同產(chǎn)生熱應(yīng)力，模塊長(zhǎng)期工作在熱循環(huán)沖擊下導(dǎo)致材料疲勞和老化，最終導(dǎo)致模塊失效如鋁引線脫落、焊接層斷裂分層。

1鍵合線失效

一般通過(guò)PCsec（秒級(jí)功率循環(huán)）試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證鍵合性能，循環(huán)次數(shù)越多越好，鍵合引線的疲勞老化通過(guò)飽和導(dǎo)通壓降Vcesat來(lái)評(píng)估，循環(huán)過(guò)程中，Vcesat會(huì)有輕微上升趨勢(shì)。 焊料層和鍵合引線及鍵合處受到功率循環(huán)產(chǎn)生的熱應(yīng)力的反復(fù)沖擊，導(dǎo)致焊料層因材料疲勞出現(xiàn)裂紋，裂紋生長(zhǎng)甚至出現(xiàn)分層(空洞或氣泡)，導(dǎo)致鍵合引線的剝離、翹曲或熔斷。 功率模塊中各芯片均通過(guò)多根引線并聯(lián)引出。而實(shí)際運(yùn)行中，一根引線的脫落會(huì)導(dǎo)致電流重新均流，加速其它引線相繼脫落。

2焊接層疲勞

一般通過(guò)PCmin（分鐘級(jí)功率循環(huán)）試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證焊接層性能，焊料層疲勞老化程度與結(jié)-殼熱阻Rthjc正相關(guān)。 功率模塊由異質(zhì)材料構(gòu)成多層結(jié)構(gòu)，在熱循環(huán)過(guò)程中不同熱膨脹系數(shù)的材料會(huì)產(chǎn)生交變應(yīng)力，使材料彎曲變形并發(fā)生蠕變疲勞，從而導(dǎo)致硅芯片與基板之間以及基板與底板之間的焊接層中產(chǎn)生裂紋并逐漸擴(kuò)散，最終導(dǎo)致失效或分層。

總結(jié)

對(duì)于應(yīng)用工程師來(lái)講，上邊的內(nèi)容重點(diǎn)關(guān)注封裝及老化失效部分，怎么樣根據(jù)系統(tǒng)的需求選擇合適的IGBT模塊，怎么樣通過(guò)科學(xué)的散熱設(shè)計(jì)把系統(tǒng)效率和功率密度做的更高。 在做功率模塊設(shè)計(jì)的時(shí)候，應(yīng)用工程師還是不要太受制于自己的經(jīng)驗(yàn)，要以物理第一性的原則去做理論上的最優(yōu)設(shè)計(jì)，以目標(biāo)為導(dǎo)向去克服路徑上的困難，這樣才能不跟在別人屁股后邊走。 廢話不多說(shuō)，繼續(xù)學(xué)習(xí)。 參考： 老化試驗(yàn)條件下的IGBT失效機(jī)理分析 ——賴偉 計(jì)及疲勞累積效應(yīng)的IGBT模塊焊料層失效機(jī)理及疲勞損傷研究——江南

審核編輯：湯梓紅