IGBT模塊究竟如何工作？IGBT模塊的生產(chǎn)流程

當(dāng)前的新能源車的模塊系統(tǒng)由很多部分組成，如電池、VCU、BSM、電機等，但是這些都是發(fā)展比較成熟的產(chǎn)品，國內(nèi)外的模塊廠商已經(jīng)開發(fā)了很多，但是有一個模塊需要引起行業(yè)內(nèi)的重視，那就是電機驅(qū)動部分最核心的元件IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor絕緣柵雙極型晶體管芯片）。作為電力電子行業(yè)里的“CPU”，IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）是國際上公認的電子革命中最具代表性的產(chǎn)品。將多個IGBT芯片集成封裝在一起形成IGBT模塊，其功率更大、散熱能力更強，在新能源汽車領(lǐng)域發(fā)揮著極為重要的功用和影響。

什么是“三電系統(tǒng)”和“電驅(qū)系統(tǒng)”？

簡單普及下，也是耳熟能詳?shù)娜娤到y(tǒng)，即動力電池（簡稱電池）、驅(qū)動電機（簡稱電機）、電機控制器（簡稱電控），也被人們成為三大件，加起來約占新能源車總成本的70%以上，是決定整車運動性能核心的組件。

電驅(qū)系統(tǒng)，我們一般簡單把電機、電控、減速器，合稱為電驅(qū)系統(tǒng)。

但嚴(yán)格定義上講，根據(jù)進精電動招股說明書，電驅(qū)動系統(tǒng)包括三大總成：驅(qū)動電機總成（將動力電池的電能轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)的機械能，是輸出動力的來源）、控制器總成（基于功率半導(dǎo)體的硬件及軟件設(shè)計，對驅(qū)動電機的工作狀態(tài)進行實時控制，并持續(xù)豐富其他控制功能）、傳動總成（通過齒輪組降低輸出轉(zhuǎn)速提高輸出扭矩，以保證電驅(qū)動系統(tǒng)持續(xù)運行在高效區(qū)間）。

圖：電驅(qū)系統(tǒng)示意圖

電驅(qū)系統(tǒng)工作：在駕駛新能源汽車時，電機控制器把動力電池放出的直流電（DC）變?yōu)榻涣麟姡?a target="_blank">AC）（這個過程即逆變），讓驅(qū)動電機工作，電機將電能轉(zhuǎn)換成機械能，再通過傳動系統(tǒng)（主要是減速器）讓汽車的輪子跑起來。反過來，把車輪的機械能轉(zhuǎn)換存儲到電池的過程就是動能回收。電驅(qū)系統(tǒng)工作示意圖如下：

IGBT模塊究竟如何工作？

IGBT模塊的標(biāo)準(zhǔn)封裝形式是一個扁平的類長方體，下圖為HP1模塊的正上方視角，最外面白色的都是塑料外殼，底部是導(dǎo)熱散熱的金屬底板（一般是銅材料）?？梢钥吹侥K外面還有非常多的端子和引腳，各自有自己的作用：

圖：HP1模塊等效電路圖

在電控模塊中，IGBT模塊是逆變器的最核心部件，總結(jié)其工作原理：

通過非通即斷的半導(dǎo)體特性，不考慮過渡過程和寄生效應(yīng)，我們將單個IGBT芯片看做一個理想的開關(guān)。我們在模塊內(nèi)部搭建起若干個IGBT芯片單元的并串聯(lián)結(jié)構(gòu)，當(dāng)直流電通過模塊時，通過不同開關(guān)組合的快速開斷，來改變電流的流出方向和頻率，從而輸出得到我們想要的交流電。

IGBT模塊的生產(chǎn)流程

IGBT行業(yè)的門檻非常高。除了芯片的設(shè)計和生產(chǎn)，IGBT模塊封裝測試的開發(fā)和生產(chǎn)等環(huán)節(jié)同樣有著非常高的技術(shù)要求和工藝要求。

圖：IGBT標(biāo)準(zhǔn)封裝結(jié)構(gòu)橫切面

如上圖所示，可以看到IGBT模塊橫切面的界面，目前殼封工藝的模塊基本結(jié)構(gòu)都相差不大。IGBT模塊封裝的流程大致如下：

貼片→真空回流焊接→超聲波清洗→X-ray缺陷檢測→引線鍵合→靜態(tài)測試→二次焊接→殼體灌膠與固化→端子成形→功能測試（動態(tài)測試、絕緣測試、反偏測試）

貼片，首先將IGBT wafer上的每一個die貼片到DBC上。DBC是覆銅陶瓷基板，中間是陶瓷，雙面覆銅，DBC類似PCB起到導(dǎo)電和電氣隔離等作用，常用的陶瓷絕緣材料為氧化鋁（Al2O3）和氮化鋁（AlN）；

真空焊接，貼片后通過真空焊接將die與DBC固定，一般焊料是錫片或錫膏；

X-ray空洞檢測，需要檢測在敢接過程中出現(xiàn)的氣泡情況，即空洞，空洞的存在將會嚴(yán)重影響器件的熱阻和散熱效率，以致出現(xiàn)過溫、燒壞、爆炸等問題。一般汽車IGBT模塊要求空洞率低于1%；

接下來是wire bonding工藝，用金屬線將die和DBC鍵合，使用最多的是鋁線，其他常用的包括銅線、銅帶、鋁帶；

中間會有一系列的外觀檢測、靜態(tài)測試，過程中有問題的模塊直接報廢；

重復(fù)以上工序?qū)BC焊接和鍵合到銅底板上，然后是灌膠、封殼、激光打碼等工序；

出廠前會做最后的功能測試，包括電氣性能的動態(tài)測試、絕緣測試、反偏測試等等。

常見的汽車IGBT模塊封裝類型有哪些？

Econodual系列半橋封裝，應(yīng)用在商用車上為主，主要規(guī)格為1200V/450A，1200V/600A等；

HP1全橋封裝，主要用在中小功率車型上，包括部分A級車、絕大部分的A0、A00車，峰值功率一般在70kW以內(nèi)，型號以650V400A為主，其他規(guī)格如750V300A、750V400A、750V550A等；

HPD全橋封裝，中大功率型車上使用，大部分A級車及以上，以750V820A的規(guī)格占據(jù)市場主流，其他規(guī)格如750V550A等；

DC6全橋封裝，基于UVW三相全橋的整體式封裝方案，具備封裝緊湊，功率密度高，散熱性能好等特點；

TO247單管并聯(lián)，市場上也有少量使用TO247單管封裝的電控系統(tǒng)方案。使用單管并聯(lián)方案的優(yōu)勢主要有兩點：①單管方案可以實現(xiàn)靈活的線路設(shè)計，需要多大的電流就用相應(yīng)的單管并聯(lián)就好了，所以成本也有一定優(yōu)勢；②寄生電感問題比IGBT模塊好解決。但是使用單管并聯(lián)也存在一些待解決的難點：①每個并聯(lián)單管之間均流和平衡比較困難，一致性比較難得到保障，例如實現(xiàn)同時的開斷，相同的電流、溫度等；②客戶的系統(tǒng)設(shè)計、工藝難度非常大；③接口比較多，對產(chǎn)線的要求很高。

中國汽車IGBT情況

隨著國內(nèi)新能源汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，產(chǎn)業(yè)鏈上游大有逐步完成國產(chǎn)替代，甚至引領(lǐng)世界的趨勢，諸如整車品牌、動力電池、電池材料等等已經(jīng)走得比較靠前。而汽車電控IGBT模塊是新能源汽車最核心的功率器件，之前一直被諸如英飛凌、安森美、賽米控、三菱電機等國外供應(yīng)商壟斷，但隨著比亞迪半導(dǎo)體、斯達半導(dǎo)、中車時代、士蘭微、翠展微等國內(nèi)供應(yīng)商的崛起，目前在一定程度上已經(jīng)能夠滿足國產(chǎn)需求，相信在不久的將來，國內(nèi)汽車半導(dǎo)體企業(yè)會更大更強！

圖：汽車電控IGBT模塊市場情況

主要汽車IGBT模塊供應(yīng)商介紹

英飛凌科技公司于1999年4月1日在德國慕尼黑正式成立，是全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司之一。其前身是西門子集團的半導(dǎo)體部門，于1999年獨立，2000年上市。英飛凌的業(yè)務(wù)遍及全球，在全球共有56家研發(fā)機構(gòu)和20家生產(chǎn)工廠。

主營產(chǎn)品：

微控制器、智能傳感器、射頻收發(fā)IC、雷達、分立式和集成式功率半導(dǎo)體、充電模塊、充電器、控制器、DCDC、IGBT、智能網(wǎng)聯(lián)處理器、網(wǎng)關(guān)芯片、AI芯片

配套客戶：

豐田汽車、大陸電子、大眾汽車、日立電線、寶馬、奧迪等

比亞迪半導(dǎo)體股份有限公司是國內(nèi)領(lǐng)先的半導(dǎo)體企業(yè)，成立于2004年10月15日，主要從事功率半導(dǎo)體、智能控制IC、智能傳感器、光電半導(dǎo)體，半導(dǎo)體制造及服務(wù)，覆蓋了對光、電、磁等信號的感應(yīng)、處理及控制，產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于汽車、能源、工業(yè)和消費電子等領(lǐng)域，具有廣闊的市場前景。比亞迪半導(dǎo)體矢志成為高效、智能、集成的新型半導(dǎo)體供應(yīng)商。

主營產(chǎn)品：

電源管理芯片、功率MOSFET、LED驅(qū)動芯片、電量計、復(fù)位芯片、IGBT芯片及模組、智能功率模塊及IGBT智能驅(qū)動模塊、CMOS圖像傳感器、音頻功放、消噪IC、筆記本觸控面板、觸摸控制芯片、TVS管和電流傳感器、攝像頭

配套客戶：

比亞迪，小鵬G3等

嘉興斯達半導(dǎo)體股份有限公司成立于2005年4月，是一家專業(yè)從事功率半導(dǎo)體芯片和模塊尤其是IGBT芯片和模塊研發(fā)、生產(chǎn)和銷售服務(wù)的國家級高新技術(shù)企業(yè)。公司總部位于浙江嘉興，在上海和歐洲均設(shè)有子公司，并在國內(nèi)和歐洲設(shè)有研發(fā)中心，是目前國內(nèi)IGBT領(lǐng)域的領(lǐng)軍企業(yè)。

主營產(chǎn)品：

IGBT模塊、MOSFET模塊

配套客戶：

英威騰電氣、匯川技術(shù)、巨一動力、電驅(qū)動

間接配套：

宇通、比亞迪、上汽、小鵬等

瑞薩電子株式會社，是全球無線網(wǎng)絡(luò)、汽車、消費與工業(yè)市場設(shè)計制造嵌入式半導(dǎo)體的全球領(lǐng)先供應(yīng)商，產(chǎn)品包括微控制器、SoC解決方案和各種模擬與功率器件?，F(xiàn)在的瑞薩電子，是由NEC、三菱半導(dǎo)體、日立半導(dǎo)體，三大巨頭構(gòu)成的。2003年4月1日由日立制作所半導(dǎo)體部門和三菱電機半導(dǎo)體部門合并成立了瑞薩科技，NEC電子和瑞薩科技于2010年4月合并，由此誕生了瑞薩電子。

主營產(chǎn)品：

微控制器、微處理器、傳感器、模擬功率器件、SoC產(chǎn)品、AI芯片、電源管理、電池管理、抬頭顯示、網(wǎng)關(guān)芯片

配套客戶：

豐田、日產(chǎn)、奧迪、鈴木、博世、愛信精機、德爾福、Ryosan

日本電裝公司(DENSO股份有限公司）成立于1949年12月16日，是世界汽車系統(tǒng)零部件的頂級供應(yīng)商，目前共擁有198家公司(日本63、北美21、歐洲27、亞洲80、其他7)。

主營產(chǎn)品：

動力傳動系統(tǒng)產(chǎn)品（如噴油器、燃油泵、ECU等）、空調(diào)相關(guān)產(chǎn)品（如空調(diào)單元、壓縮機、冷凝器等）、車身相關(guān)產(chǎn)品（如雨刮系統(tǒng)，儀表等）、駕駛安全相關(guān)產(chǎn)品（如安全氣囊ECU，毫米波雷達等）、信息通信產(chǎn)品（如車載導(dǎo)航等）、汽車后市場產(chǎn)品（如火花塞、雨刮片等）以及機械手、掃碼器等其他領(lǐng)域產(chǎn)品、IGBT，OTA方案、W-HUD、中控儀表、車載DMS系統(tǒng)、T-Box、智能座艙、導(dǎo)航影音一體機/車機、液晶儀表、安全帶提醒器（SBR）、座椅電機、域控制器、W-BMS業(yè)務(wù)

配套客戶：

豐田/馬自達（WHUD）、本田、日產(chǎn)、廣汽傳祺GA6等

富士電機控股公司FUJI ELECTRIC HOLDINGS CO., LTD.成立于成立時間：1923年8月29日，富士電機是古河電器工業(yè)與德國西門子以資本技術(shù)資本合作成立的公司。產(chǎn)品涵蓋電機系統(tǒng)、電子設(shè)備、零售終端設(shè)備、半導(dǎo)體、發(fā)電設(shè)備、能源管理等。

主營產(chǎn)品：

IGBT系統(tǒng)（剎車輔助、轉(zhuǎn)向輔助、新能源電機控制器上的部件）

配套客戶：

蘇州匯川

三菱電機株式會社，是三菱MITSUBISHI財團之一，全球500強。公司成立于1921年1月15日，當(dāng)時三菱造船公司（現(xiàn)在的三菱重工業(yè)株式會社）將日本神戶的一家工廠脫離出去，組建了一家名為三菱電機株式會社的新公司，專門為遠洋船舶制造電機。目前三菱業(yè)務(wù)范圍包括重電系統(tǒng)、工業(yè)自動化系統(tǒng)、信息通訊系統(tǒng)、電子元器件、家用電器等。

主營產(chǎn)品：

變壓器、高壓開關(guān)、IGBT、LED顯示系統(tǒng)、功率器件、光器件和光模塊、微波和射頻器件、液晶顯示屏

株洲中車時代電氣股份有限公司（下稱中車時代電氣）是中國中車旗下股份制企業(yè)，其前身及母公司——中車株洲電力機車研究所有限公司創(chuàng)立于1959年。中車時代電氣秉承“雙高雙效”高速牽引管理模式，堅持“同心多元化”發(fā)展戰(zhàn)略，圍繞技術(shù)與市場，形成了“基礎(chǔ)器件+裝置與系統(tǒng)+整機與工程”的完整產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)，產(chǎn)業(yè)涉及高鐵、機車、城軌、軌道工程機械、通信信號、大功率半導(dǎo)體、傳感器、海工裝備、新能源汽車、環(huán)保、通用變頻器等多個領(lǐng)域，業(yè)務(wù)遍及全球20多個國家和地區(qū)。

主營產(chǎn)品：

大功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)（IGBT、雙極器件、功率組件）、新能源乘用車電驅(qū)動系統(tǒng)

配套客戶：

長安汽車、一汽集團、江鈴集團

浙江翠展微電子有限公司是車規(guī)級IGBT模塊設(shè)計生產(chǎn)供應(yīng)商，成立于2018年,公司總部及生產(chǎn)基地位于浙江省嘉興市，同時在上海、蘇州、合肥、天津、重慶、深圳設(shè)立子（分）公司。公司是國內(nèi)為數(shù)不多的汽車電控IGBT模塊量產(chǎn)供應(yīng)商，位于嘉善的IGBT模塊產(chǎn)線已經(jīng)通過IATF 16949質(zhì)量認證體系認證，公司產(chǎn)品的性能和生產(chǎn)良率處于國內(nèi)領(lǐng)先水平，并已經(jīng)批量給多個汽車客戶供應(yīng)自主IGBT模塊。

主營產(chǎn)品：

汽車主電控IGBT模塊、定制一體化IGBT模塊、SIC模塊，工業(yè)IGBT模塊，PIR芯片、TO247單管，汽車底層軟件服務(wù)、電機控制方案、軟件開發(fā)工具鏈等。

配套客戶：

公司的客戶有上汽集團，比亞迪，江淮汽車，吉利汽車，長城汽車，奇瑞汽車，滴滴，蔚來汽車，小鵬汽車，威馬汽車，北汽新能源，上海電氣，昌輝汽車，鴻創(chuàng)新能源，華人運通，株洲中車時代，德歐科技、日虹科技、深川變頻、廊坊科森等業(yè)內(nèi)知名企業(yè)。

賽米控是全球領(lǐng)先的功率模塊和系統(tǒng)制造商之一,產(chǎn)品主要涉及中等功率輸出范圍(約2 kW至10 MW)。我們的產(chǎn)品是現(xiàn)代節(jié)能型電機驅(qū)動器和工業(yè)自動化系統(tǒng)中的核心器件

主營產(chǎn)品：

IGBT模塊、SiC（全碳化硅功率模塊、混合碳化硅功率模塊）、分立元件（芯片、二極管、晶閘管）、MOSFET模塊、晶閘管/二極管模塊、橋式整流器模塊、IPM、IGBT驅(qū)動、熱界面材料等

配套客戶：

LG

安森美半導(dǎo)體(ON Semiconductor)是應(yīng)用于高能效電子產(chǎn)品的首要高性能硅方案供應(yīng)商。公司的產(chǎn)品系列包括電源和信號管理、邏輯、分立及定制器件，幫助客戶解決他們在汽車、通信、計算機、消費電子、工業(yè)、LED照明、醫(yī)療、軍事/航空及電源應(yīng)用的獨特設(shè)計挑戰(zhàn)，既快速又符合高性價比。

主營產(chǎn)品：

1.汽車功能電氣化-全新IGBT及碳化硅(SiC)模塊方案

2.汽車功能電氣化- SiC MOSFET及門極驅(qū)動器方案

3.汽車功能電氣化-智能功率模塊(IPM)方案

4.汽車功能電氣化-中壓功率MOSFET分立器件和模塊

5.先進駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)及自動駕駛方案-圖像傳感器

6.智能駕駛艙方案-圖像傳感器

配套客戶：

通用、福特等各大主機廠

羅姆半導(dǎo)體（上海）有限公司ROHM(羅姆)成立于1958年，是全球知名的半導(dǎo)體廠商。

主營產(chǎn)品：

存儲器、放大器/比較器、電源管理、時鐘/計時器、開關(guān)/多路轉(zhuǎn)換器/邏輯、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、傳感器/MEMS、顯示用驅(qū)動器、電機/執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動器、接口、通信LSI(LAPIS)、音頻/視頻、MOSFET、雙極晶體管、二極管、功率晶體管、功率二極管SiC（碳化硅）功率元器件、IGBT、智能功率模塊、電阻器、導(dǎo)電性高分子電容器、鉭電容器、貼片LED、LED顯示器、激光二極管、光學(xué)傳感器、無線通信模塊熱敏打印頭、薄膜壓電MEMS、晶圓(LAPIS)、WL-CSP(LAPIS)

配套客戶：

國內(nèi)主機廠、日系、德系等車企

江蘇宏微科技股份有限公司是由一批長期在國內(nèi)外從事電力電子產(chǎn)品研發(fā)和生產(chǎn)，具有多種專項技術(shù)的科技人員組建的國家重點高新技術(shù)企業(yè)。是國家高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化示范工程基地，國家IGBT和FRED標(biāo)準(zhǔn)起草單位；江蘇省新型高頻電力半導(dǎo)體器件工程技術(shù)研究中心等。

主營產(chǎn)品：

快恢復(fù)二極管芯片、分立器件（IGBT分立器件、MOSFET分立器件、FRED分立器件）、功率模塊（IGBT模塊、快恢復(fù)二極管模塊、整流二極管模塊、晶閘管模塊、整流橋模塊），電源模組（新能源大巴空調(diào)控制器、車載DCDC、預(yù)充單元PTC控制器、車載逆變器、風(fēng)機調(diào)速模塊）等

配套客戶：

匯川、英威騰、藍海華騰、科陸電子、合康變頻等變頻器廠家；

佳士、凱爾達、奧太、時代、滬工等電焊廠家；

海爾、美的、長虹、創(chuàng)維等家用電器廠家；

陽光、兆伏、山億等新能源廠家；

臺達、新譽、康丘樂等軌道交通電動汽車控制器廠家；

科華、志成冠軍、易思特等UPS廠家

意法半導(dǎo)體（中國）投資有限公司1987年，兩家歷史悠久的半導(dǎo)體公司-意大利SGS Microelettronica和法國湯姆遜半導(dǎo)體公司（Thomson Semiconducteurs）-合并成立了今天的意法半導(dǎo)體公司，1994年起成為上市公司。意法半導(dǎo)體擁有豐富的芯片制造工藝，包括先進的FD-SOI（全耗盡絕緣體上硅）、CMOS（互補金屬氧化物半導(dǎo)體）、混合信號、模擬和電源制造工藝，是國際半導(dǎo)體開發(fā)聯(lián)盟（ISDA）開發(fā)下一代CMOS技術(shù)的合作企業(yè)之一。

主營產(chǎn)品：

半導(dǎo)體解決方案、集成電路、毫米波雷達、網(wǎng)關(guān)芯片、IGBT

配套客戶：

特斯拉

江蘇中科君芯科技有限公司是一家專注于IGBT、FRD等新型電力電子芯片研發(fā)的中外合資高科技企業(yè)。公司成立于2011年底，依托中國科學(xué)院的科研團隊和研發(fā)平臺，結(jié)合海內(nèi)外的技術(shù)精英以及專業(yè)的市場管理團隊共同組建而成。

主營產(chǎn)品：

IGBT芯片、IGBT單管、IGBT模塊、FRD單管、FRD芯片、FRD模塊

配套客戶：

上海華虹宏力

吉林華微電子股份有限公司是集功率半導(dǎo)體器件設(shè)計研發(fā)、芯片加工、封裝測試及產(chǎn)品營銷為一體的國家級高新技術(shù)企業(yè)，公司經(jīng)科技部、中科院等國家機構(gòu)認證。目前公司已形成IGBT、MOSFET、SCR、SBD、IPM、FRD、BJT等為營銷主線的系列產(chǎn)品，產(chǎn)品種類基本覆蓋功率半導(dǎo)體器件全部范圍，廣泛應(yīng)用于汽車電子、電力電子、光伏逆變、工業(yè)控制與LED照明等領(lǐng)域，并不斷在新能源汽車、光伏、變頻等戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域快速拓展。

主營產(chǎn)品：

功率半導(dǎo)體器件設(shè)計研發(fā)、芯片加工、封裝測試（IGBT、MOSFET、SCR、SBD、IPM、FRD、BJT等）

配套客戶：

歐普照明、松下電器、長城、LG

東芝電子元件（上海）有限公司提供各種車載半導(dǎo)體器件，有提高駕駛安全性的車載圖像識別處理器，有針對新能源汽車的變頻器控制方案，相關(guān)電機驅(qū)動器和功率器件，以及車載信息娛樂解決方案等。

主營產(chǎn)品：

新能源車用光耦隔離器件TLX系列、ADAS用最新圖像識別芯片Visconti4、新能源車用IGBT芯片、冷卻水泵控制芯片、無刷EPS電機驅(qū)動芯片與MOSFET、新能源車?yán)鋮s水閥驅(qū)動芯片等

配套客戶：

日系主機廠、自主品牌主機廠、合資品牌主機廠

來源：電控知識搬運工

審核編輯：湯梓紅