提高電動汽車逆變器性能該如何助力? - 全文

　　油電混合動力汽車（HEV）和電動汽車（EV）逐漸被市場接受，這為電子產(chǎn)業(yè)創(chuàng)造了諸多商機。雖然近年來電子組件在典型汽車物料清單中所占的比例逐漸提高，但是采用電力牽引可望成為塑造現(xiàn)代汽車成為電氣裝置的一大進展。

　　作為油電混合動力或純電動汽車高壓基礎設備的一部份，IGBT轉(zhuǎn)換器功率模塊是用于控制牽引馬達中傳動系統(tǒng)的關鍵組件。典型模塊包含1個三相全橋轉(zhuǎn)換器，由6個IGBT開關和若干續(xù)流二極管組成，如圖1所示。幾個IGBT組件可用在各個開關位置，以便實現(xiàn)所需的額定電流和導通電阻。

　　圖1：典型HEV/EV功率模塊的三相轉(zhuǎn)換器。

　　如果馬達的額定功率為100Kw（相當于134馬力），那么效率高達97%的模塊會以熱的形式耗散掉3kW左右的能量。如果模塊要提供令人滿意的可靠性，那么有效去除該熱量則是一大關鍵?，F(xiàn)代內(nèi)燃機汽車已經(jīng)建立了很高的可靠性標準，而電動汽車必須達到這些標準方可獲得廣大消費者的接受。

　　提高模塊可靠性

　　提高模塊可靠性和額定功率的措施包括采用芯片IGBT和優(yōu)化模塊結構，進而將導致焦耳加熱的寄生電損耗降至最低水平，在IGBT晶圓和模塊基板之間實現(xiàn)最低的熱阻。

　　與第一代油電混合動力汽車采用的功率模塊相較，如今的模塊典型熱迭加被大幅簡化，因而將晶圓和模塊基板之間的熱阻降到了最低程度?；蹇赡芫哂写罅可崞詫崿F(xiàn)空氣冷卻，或者更常見的是利用水/乙二醇混合物進行液體冷卻。典型現(xiàn)代IGBT功率模塊的熱迭加和電觸點如圖2所示。

　　圖2：典型IGBT功率模塊的構造。

　　至于IGBT，適用于現(xiàn)代高功率應用中需要高達300A（或更高）的電流處理能力的組件。這導致晶圓尺寸大至100mm2（或更高）。此外，最新一代組件采用超薄晶圓技術制造而成，晶圓厚度為100um（或更低），從而使電路路徑長度降至最低，不僅進一步提升了導通性能，還降低了電流負載，有助于提高開關效率。同時，超薄晶圓技術還增強了散熱。

　　然而，超薄晶圓為模塊制造商帶來了艱巨的生產(chǎn)挑戰(zhàn)，最終可能導致產(chǎn)線良率降低。模塊通常采用IGBT裸晶裝配，因而抵銷了任何二次封裝相關的無晶圓封裝電阻（DFPR）和封裝熱阻（RTHj-c），進而提高了能源效率和熱性能。在經(jīng)由負載電流彈射出來或在后續(xù)處理過程中，大型超薄晶圓可能會折斷。

　　雖然有時必須使用特殊處理設備，但當模塊暴露在熱循環(huán)時，晶圓尺寸較大可能直接影響可靠性。晶圓尺寸較大會導致晶圓與模塊基底之間CTE嚴重錯位，因而在焊接的管芯連接器或晶圓上產(chǎn)生較大的應力。經(jīng)過多次熱循環(huán)之后，管芯連接器逐漸退化，因而導致IGBT晶圓和基底之間的熱阻增加。這會造成過熱，進而降低性能，最終導致模塊過早損壞。

　　制造商可以通過將晶圓焊接到直接鍵合銅（DBC）基底上來降低材料之間CTE不匹配對結構的影響。這類裝配用鋁焊線（見圖2）將IGBT發(fā)射極連接到模塊終端上，通常會使用幾根直徑介于0.25mm（0.01英吋）和0.5mm（0.02英吋）之間的粗導線?？煽啃詼y試顯示，焊線和熔敷金屬之間的接口很容易疲勞，因此限制了模塊的使用壽命。

　　在最終測試時，模塊制造商遇到了另一個挑戰(zhàn)──生產(chǎn)良率。他們在封裝前通常無法在全工作電流下測試功率半導體芯片。因此，某些與芯片有關的故障情形可能只在已裝配模塊的最終測試期間才能發(fā)現(xiàn)，因而降低了良率。

　　同一封裝內(nèi)的芯片性能

　　國際整流器公司（IR）的COOLiR2DIE是一項新型封裝技術，旨在彌補傳統(tǒng)芯片裝配的不足。這種封裝技術的晶圓直接附加在CTE與硅晶類似的DBC基底上。該基底為晶圓提供機械支持，消除了對焊線的需求，還實現(xiàn)了雙面冷卻，進而提升了熱性能。組件采用卷帶封裝，可利用傳統(tǒng)SMT設備進行放置。

　　晶圓電極鍍有銀，使其易于焊接。這就是它與鍍鋁或鋁合金的傳統(tǒng)絲焊模塊使用的芯片之間的關鍵區(qū)別。消除焊線除了提高可靠性，還提升了電氣性能。外圍集電極凸點和晶圓背面的電極之間電阻約為48uΩ。利用6根直徑為0.5mm的鋁焊線實現(xiàn)的典型連接的總電阻超過140uΩ。

　　利用這種封裝技術，IGBT可實現(xiàn)覆晶晶圓或使晶圓朝上配置。覆晶晶圓配置如圖3所示，由IGBT和二極管構成，二者均翻轉(zhuǎn)過來，使IGBT的閘極與發(fā)射極以及二極管的陽極都附在DBC基底上。管芯連接材料可采用高鉛焊料，也可以是針對無鉛應用的燒結銀材料。IGBT的發(fā)射極和閘極以及二極管的陽極通過DBC基底的導線與外圍觸點相連。

　　圖3：覆晶晶圓裝配。

　　在晶圓朝上的配置（如圖4所示）中，發(fā)射極和閘極都正面朝上（因此稱為‘晶圓朝上’），而IGBT集電極和二極管的陰極則與外圍觸點相連。

　　圖4：晶圓朝上配置。

　　通過采用覆晶晶圓和晶圓朝上的配置，模塊制造商可以利用模塊DBC基底的銅絲（見圖5）來連接覆晶晶圓IGBT的發(fā)射極和晶圓朝上組件的集電極，進而有效地建構半橋或全橋電路。

　　圖5：半橋模塊內(nèi)的覆晶晶圓和晶圓朝上IGBT。

　　COOLiR2DIEDBC基底有幾種功能。除了為超薄晶圓提供機械支持以外，它還在晶圓表面的電極和封裝的外圍終端之間實現(xiàn)了低電阻/低電感互連，確保晶圓與封裝背面之間的電絕緣特性。DBC的電介質(zhì)芯可以采用氧化鋁（Al2O3）、氮化鋁（AlN）或氮化硅（Si3N4），材料的選擇與厚度取決于成本、熱以及可靠性的要求。Al2O3是一種成本較低的電介質(zhì)，CTE低且接近于硅晶，AlN和Si3N4的CTE更接近于硅晶，但成本較高。

　　在晶圓附于DBC基底上時，IGBT和二極管馬達之間的較大接觸面積以及DBC上的導線有助于在晶圓和封裝正面之間提供低熱阻通道。由于封裝頂部是電絕緣的，所以模塊制造商可以借機會利用如圖6所示的布局進一步提升熱性能。在該圖中，模塊上蓋作為散熱片，通過熱接口材料（TIM）與封裝正面實現(xiàn)熱耦合。

　　圖6：利用絕緣封裝正面增強冷卻效果。

　　根據(jù)晶圓尺寸，COOLiR2DIE組件的生產(chǎn)工藝包括高達500A（或更高，如果需要的話）的大電流測試。這能夠幫助那些需要將多個芯片裝配到轉(zhuǎn)換器基底上的用戶提高模塊產(chǎn)量。

　　為了建構模塊，傳統(tǒng)SMT置放機可用來放置組件，外圍終端和IGBT與二極管電極朝下，這樣就能夠?qū)⑵浜附拥侥KDBC基底上。然后進行回流焊。而對于需要3-5%或更低焊接空洞的高功率應用而言，建議采用真空回流焊。

　　結語

　　油電混合動力和電動汽車技術不斷發(fā)展，旨在提高效率、功率和可靠性，而這項新技術有助于消除焊線，提高裝配率，簡化生產(chǎn)轉(zhuǎn)換器功率模塊所需的工藝和設備。