IGBT7模塊如何連續(xù)工作在175℃

話說，你們第七代芯片模塊為什么不能夠持續(xù)運(yùn)行在175℃?......

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故事就這樣開始了

近幾年主流芯片制造廠商，包括Infineon, Fuji, Mitsubishi等都相繼問世了第七代芯片，在芯片大小，芯片厚度，飽和壓降，開關(guān)損耗等權(quán)衡之間進(jìn)行了升級(jí)。其中，最高工作結(jié)溫被提及的次數(shù)略多。

其中富士的AN是這樣介紹的

英飛凌的AN是這樣介紹的

這樣的話，很容易就出現(xiàn)了開頭的那個(gè)問題，也是經(jīng)常被問及的問題。你要說英飛凌的IGBT7無法連續(xù)運(yùn)行在175℃嗎?我肯定不信，為什么這么說?其實(shí)富士的AN那句截圖后面還有幾個(gè)字，

封裝技術(shù)，富士第七代模塊能夠持續(xù)運(yùn)行在175℃的主要原因還是它針對(duì)于模塊封裝進(jìn)行改進(jìn)升級(jí)，那英飛凌不能夠做到嗎?或者其他供應(yīng)商不能夠做到嗎?答案顯然不是，肯定是能夠做到的，我猜想，暫時(shí)沒這么做的原因是處于多方面的，目前大多是行業(yè)還沒有迫切地需求175℃，亦或者是短暫的175℃過載已經(jīng)能夠滿足要求了，沒必要在成本幾乎占主導(dǎo)的市場(chǎng)做過多的性能溢出。

說到封裝技術(shù)的限制，讓人又不得不聯(lián)想到第三代寬禁帶半導(dǎo)體，之前我們有聊到，第三代半導(dǎo)體碳化硅，氮化鎵相對(duì)于硅基的一個(gè)特點(diǎn)是可以工作在更高的溫度(>500℃)，但是受封裝限制，短時(shí)間肯定無法實(shí)現(xiàn)。在新能源汽車領(lǐng)域上，不難看到Tj,max在200℃的模塊，主要是新能源相對(duì)于傳統(tǒng)工業(yè)或者風(fēng)光儲(chǔ)等來說，模塊封裝設(shè)計(jì)自由度較高，比如丹佛斯的DCM1000系列，或者賽米控的EMPACK等。

所以，市場(chǎng)需求和成本導(dǎo)向決定了取舍，不是我不能，是我暫時(shí)不想。那連續(xù)運(yùn)行更高的結(jié)溫到底需要什么樣的封裝技術(shù)呢?為什么要這樣呢?我們先來看看富士的AN如何說的。

新材料開發(fā)(高散熱絕緣基板，高耐熱硅凝膠，高強(qiáng)度焊錫)，其實(shí)這些改動(dòng)是為了在更高的結(jié)溫下能夠使得可靠性不會(huì)因此而降低。下面我們一起來看看，IGBT運(yùn)行更高的結(jié)溫到底要考慮哪些?

175℃/over那些事

首先，上述無論是第七代硅基芯片還是寬禁帶半導(dǎo)體芯片，其真實(shí)的允許工作結(jié)溫肯定是超過175℃的，或者更高的溫度。之前我們有聊到過，芯片材料的溫度取決于其本征載流子和摻雜濃度，為了維持基本功能，本征載流子的濃度不能超過最低摻雜濃度。

如果連續(xù)運(yùn)行溫度從150℃提升到175℃，也就是說模塊材料的熱應(yīng)力相應(yīng)地增加了25℃，同樣的溫度變化范圍也會(huì)有所變大，因此需要開發(fā)新材料來滿足這些變化。我們先來看看富士同樣的模塊在兩個(gè)溫度上的功率循環(huán)對(duì)比，

可見，溫度從150℃增加到175℃，壽命減少了30%~50%，所以需要針對(duì)封裝進(jìn)行優(yōu)化已滿足壽命的降低，這樣才能夠達(dá)到真正意義上的持續(xù)175℃工作結(jié)溫。

下圖是功率模塊組成部分，

功率半導(dǎo)體芯片、互連材料、陶瓷基板、綁定線、底板、封裝劑以及外殼。

01互連材料

模塊內(nèi)部的互聯(lián)，從最早的鉛錫系統(tǒng)，到無鉛焊料，但是其耐溫相對(duì)較低，而當(dāng)下流行的銀燒結(jié)，完全足夠解決這個(gè)問題，但相對(duì)而言成本較高。富士采用的是以Sn-Sb為基礎(chǔ)強(qiáng)化的一種焊料，能夠滿足175℃這一要求。

02陶瓷基板

直接鍵合銅DBC應(yīng)用較為廣泛，夾在銅層之間的陶瓷層能夠承受相應(yīng)的高溫。主要挑戰(zhàn)在于盡量減少由于各層之間的熱膨脹系數(shù)CTE不匹配而產(chǎn)生的熱機(jī)械應(yīng)力。其中AlN相對(duì)于Al2O3具有更高的熱導(dǎo)率，CTE更接近芯片，但成本較高，包括Si3N4。而為了高溫下的可靠性，AlN一般作為首選，富士就是AlN。另外，直接鍵合鋁也可用于基板，但由于鋁在大溫度循環(huán)中會(huì)出現(xiàn)表面粗造化，一般很少用在高溫功率半導(dǎo)體模塊中。

03綁定線

綁定線斷裂作為功率循環(huán)中的一種失效模式，為了在高溫和大溫度循環(huán)下的可靠性，綁定線的材料和焊盤金屬化材料都需要進(jìn)行仔細(xì)選擇。優(yōu)選的是，綁定線和焊盤采用相同的材料，因?yàn)樵诟邷叵虏煌饘僦g會(huì)發(fā)生相互擴(kuò)散和界面腐蝕，從而降低連接可靠性。富士采用的在鋁表面鍍層鎳來進(jìn)行綁定，鋁和鎳已被證實(shí)高達(dá)350℃下是可靠的。

04底板

襯底需要具有一定的機(jī)械強(qiáng)度和高的熱導(dǎo)率，并和DBC的熱膨脹系數(shù)相匹配，由于銅相對(duì)AlN而言，CTE匹配程度相對(duì)較差，可以嘗試金屬基復(fù)合材料MMC來改善。

05封裝劑(硅凝膠)

我們一般說的硅凝膠主要功能是保護(hù)芯片和綁定線不受環(huán)境影響，如水分的擴(kuò)散、化學(xué)污染，同時(shí)還應(yīng)增加模塊內(nèi)部的介電強(qiáng)度和散熱。硅凝膠的轉(zhuǎn)變溫度需要較高，否則會(huì)出現(xiàn)裂紋甚至降解。

06外殼

外殼也一樣存在一個(gè)轉(zhuǎn)變溫度Tg，需要具有較高的值來保護(hù)模塊免受振動(dòng)、機(jī)械沖擊和環(huán)境的影響。

富士AN是這樣寫的

以上是IGBT或者第三代半導(dǎo)體工作在更高的工作結(jié)溫時(shí)所需要考量的因素，更高的溫度下保證客觀的壽命是很重要的，而行業(yè)應(yīng)用的需求同樣也必須考慮在類。而根據(jù)更高的溫度帶來的好處，想必在不久的將來，175℃將成為一個(gè)普遍的需求。

不要問我為什么

行業(yè)的趨勢(shì)，成本的考量，模塊廠家的戰(zhàn)略決定了市面上我們所看到的，并不是某個(gè)人可以決定的。讀完今天的內(nèi)容想必應(yīng)該對(duì)175℃那些事略知一二，足矣!

審核編輯：湯梓紅