主要廠家的IGBT模塊技術(shù)和相關(guān)情況

電動汽車的飛速發(fā)展帶動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)心的大功率開關(guān)器件——IGBT模塊。相對于電動汽車這樣的產(chǎn)品，電壓等級、功率等級、極限工況、可靠性、使用壽命和成本等都對其使用的IGBT模塊提出了很高的要求，同時也是很大的挑戰(zhàn)，各大模塊廠商也紛紛推出自己的汽車級IGBT模塊。今天我們就來聊聊主要廠家的IGBT模塊技術(shù)和相關(guān)情況。

1電動汽車級IGBT特點

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

相對于工業(yè)IGBT模塊，電動汽車對于驅(qū)動系統(tǒng)的功率密度、驅(qū)動效率等具有更高的要求，也存在著相應(yīng)的難點：

①車輛運行時，特別實在擁堵的路況時的頻繁啟停，此時控制器的IGBT模塊工作電流會相應(yīng)的頻繁升降，從而導(dǎo)致IGBT的結(jié)溫快速變化，對于IGBT模塊的壽命是個很大的考驗；

②采用永磁同步電機的電動汽車啟動、駐車時，電機工作在近似堵轉(zhuǎn)工況，此時的IGBT模塊持續(xù)承受著大電流，從而會造成模塊的局部過熱，這對散熱系統(tǒng)的設(shè)計帶來了挑戰(zhàn)，所以汽車一般都是水冷（單面或者雙面）。

③由于車況的不確定性，汽車級IGBT模塊在車輛行駛中會受到較大的震動和沖擊，這對于IGBT模塊的各引線端子的機械強度提出了較高的要求；

④車體的大小限制，對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。

2電動汽車IGBT芯片和模塊的現(xiàn)狀研究

IGBT芯片技術(shù)針對上面的對汽車級模塊的特殊要求，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外的先進(jìn)企業(yè)，因為國內(nèi)汽車級IGBT芯片技術(shù)起步較晚，同時受限于基礎(chǔ)工藝和生產(chǎn)條件，技術(shù)發(fā)展較慢，雖然目前也有國產(chǎn)汽車級芯片，但是相對市場份額不是很大，我們還是聊聊國外芯片技術(shù)，英飛凌、富士、三菱等均有開發(fā)新一代的電動汽車級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)：

汽車級IGBT模塊封裝技術(shù)

對于IGBT芯片，可能被上面三家占了很大的份額，但是購買芯片自主封裝也是現(xiàn)行的一種商業(yè)模式，比如說丹佛斯Danfoss，就是一家專注封裝技術(shù)的公司，目前國內(nèi)汽車模塊也能看到Danfoss的模塊。IGBT的封裝技術(shù)是實現(xiàn)電機控制器高溫運行、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，主要是為了增強模塊的散熱能力、減小體積，同時提高可靠性。

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，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是需要對芯片表面進(jìn)行銅金屬化處理，同時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)相對工藝簡單、成本低廉；但也存在缺點，如多根引線并聯(lián)的鄰近效應(yīng)會引起電流分布不均，寄生電感較大會造成較高的關(guān)斷過電壓，金屬引線和半導(dǎo)體芯片之間熱膨脹失配會產(chǎn)生熱應(yīng)力，從而影響使用壽命等。為了規(guī)避這些缺點，研究人員開發(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)點是工藝簡單、成本較低。采用軟釬焊工藝的焊接層熔點在220 ℃左右，而混合動力電動汽車中IGBT 芯片可能工作在175 ℃，焊接層熱負(fù)荷過重、模塊可靠性低。為此業(yè)界開發(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，但是工藝實施過程中需要施加高溫、高壓，材料成本較高，且對設(shè)備與工裝均提出了較高要求。

③端子引出技術(shù)電動汽車用IGBT 模塊的功率導(dǎo)電端子需要承載數(shù)百安培的大電流，對電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率有較高的要求，車載環(huán)境中還要承受一定的振動和沖擊力，機械強度要求高。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)作用和機械振動等嚴(yán)苛工況的要求。金屬超聲鍵合是一種適合電動汽車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，最終形成一種高強度鍵合界面。該工藝簡單快捷，接觸電阻較低，鍵合強度較高。

④散熱設(shè)計早期電動汽車用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)：國際主流的電動汽車IGBT 模塊生產(chǎn)廠家，如英飛凌、富士電機、三菱電機、賽米控、博世、電裝等，均成功推出了系列化產(chǎn)品，并在電動汽車上得到較為廣泛的應(yīng)用。

當(dāng)然，電動汽車雖然已有多種車型量產(chǎn)上市，但是對于它的提升和優(yōu)化空間還很大。不僅僅是我們說的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，比如充電問題。所以電動汽車還會不斷發(fā)展，現(xiàn)在看來，也僅僅是前中期。今天的內(nèi)容希望大家能夠喜歡~

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