揭秘電動汽車IGBT芯片鍵合線

前言

根據(jù)乘聯(lián)會數(shù)據(jù)，2022年6月新能源車國內(nèi)零售滲透率27.4%，并且2022年6月29日歐盟對外宣布，歐盟27個(gè)成員國已經(jīng)初步達(dá)成一致，歐洲將于2035年禁售燃油車。市場越來越景氣，同時(shí)國內(nèi)近期新發(fā)布的新能源車型也百花齊放。不論是普通消費(fèi)者，還是新能源汽車產(chǎn)業(yè)相關(guān)從業(yè)者，也逐漸深入關(guān)注研究新能源車的一些核心部件，尤其是功率器件IGBT模塊，本文科普一下電驅(qū)動中IGBT及其常用的鍵合線材料特性。 ? ? ?

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電驅(qū)動系統(tǒng)工作原理

要弄明白IGBT模塊，就要先了解新能源汽車的電驅(qū)系統(tǒng)，先用一句話概括電驅(qū)系統(tǒng)如何工作：在駕駛新能源汽車時(shí)，電機(jī)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(gè)過程即逆變），讓驅(qū)動電機(jī)工作，電機(jī)將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)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(jī)械能轉(zhuǎn)換存儲到電池的過程就是動能回收。

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? 電驅(qū)動系統(tǒng)組成 ? ? ?

三電系統(tǒng)，即動力電池（簡稱電池）、驅(qū)動電機(jī)（簡稱電機(jī)）、電機(jī)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(yùn)動性能核心的組件。

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

但嚴(yán)格定義上講，電驅(qū)動系統(tǒng)包括三大總成：驅(qū)動電機(jī)總成（將動力電池的電能轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)的機(jī)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(jì)，對驅(qū)動電機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)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(yùn)行在高效區(qū)間）。

圖：電驅(qū)系統(tǒng)示意圖?

IGBT模塊工作原理

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(gè)IGBT芯片看做一個(gè)理想的開關(guān)。我們在模塊內(nèi)部搭建起若干個(gè)IGBT芯片單元的并串聯(lián)結(jié)構(gòu)，當(dāng)直流電通過模塊時(shí)，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。

圖：IGBT逆變原理 ??

IGBT芯片中常用鍵合線材料特性大全

IGBT芯片與芯片的電極端子間，IGBT芯片電極端子與二極管芯片間，芯片電極端子與絕緣襯板間一般通過引線鍵合技術(shù)進(jìn)行電氣連接。通過鍵合線使芯片間構(gòu)成互連，形成回路。引線鍵合是IGBT功率器件內(nèi)部實(shí)現(xiàn)電氣互連的主要方式之一。隨著制造工藝的快速發(fā)展，許多金屬鍵合線被廣泛的應(yīng)用到IGBT功率模塊互連技術(shù)中。目前，常用的鍵合線有鋁線、金線、銀線、銅線、鋁帶、銅片和鋁包銅線等。表1是引線鍵合技術(shù)中常用材料的性能。

表1 引線鍵合工藝中常用鍵合線的材料屬性

鋁線鍵合

鋁線鍵合是目前工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的一種芯片互連技術(shù)，鋁線鍵合技術(shù)工藝十分成熟，且價(jià)格低廉。鋁線根據(jù)直徑的不同分為細(xì)錫線和粗鋁線兩種，直徑小于100um的鋁線被稱為細(xì)鋁線，直徑大于100um小于500um的鋁線被稱為粗鋁線。

? ?粗鋁線的載流能力比細(xì)鋁線強(qiáng)，直徑為500um的粗鋁線可承受直流約為23A的電流。 ? 鋁的熱膨脹系數(shù)為23×10-6K-1，與硅芯片的熱膨脹系數(shù)相差較大，在長時(shí)間的功率循環(huán)過程中會在封裝體內(nèi)積累熱量，使模塊溫度升高，產(chǎn)生并積累熱應(yīng)力。很容易使鍵合引線斷裂或鍵合接觸表面脫落，最終導(dǎo)致模塊的整體失效。在通流能力要求較高的情況下，引線的數(shù)目過于龐大，會造成鍵合接觸表面產(chǎn)生裂紋。??

為了提高鍵合引線的載流能力，鋁帶鍵合技術(shù)逐步發(fā)展起來，相比于鋁線鍵合，鋁帶的橫截面積大，可靠性高，不但提高了整體的通流能力，避免由于髙頻工作時(shí)造成的集膚效應(yīng)，而且還有效地減小了封裝體的厚度。表面積較大，散熱效果也比鋁線要好。鋁帶鍵合由于導(dǎo)電性能好，寄生電感小，在頻率高，電流大的工作情況下應(yīng)用較為廣泛，其缺點(diǎn)是不能大角度彎曲。??

銅線鍵合

銅線比鋁線的電阻率低，導(dǎo)電性能好，熱導(dǎo)率比鋁線高，散熱性能好?，F(xiàn)在功率模塊大多追求小體積、高功率密度和快散熱，銅線鍵合技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。圖3所示為銅線鍵合實(shí)物和銅帶鍵合實(shí)物。 ? ? ?

銅線的通流能力強(qiáng)，直徑400um的銅線可以承受直流約32.5A的電流，比鋁線的載流能力提高了71%。銅線鍵合技術(shù)的缺點(diǎn)也十分明顯。由于芯片表面多為鋁合金，銅線在鍵合前需要在芯片表面進(jìn)行電銀或者沉積，不但增加了成本，而且增加了在生產(chǎn)過程中復(fù)雜程度。銅材料的熱膨脹系數(shù)較大，與芯片不匹配，在功率循環(huán)工作條件下，產(chǎn)生的熱應(yīng)力累積，容易使鍵合引線脫落或芯片表面產(chǎn)生裂痕。

鋁包銅線鍵合

綜合考慮鋁線與銅線的優(yōu)缺點(diǎn)，研發(fā)人員研制了一種新型鍵合線，在銅線外層包裹一層厚度約為25~35um的鋁。鋁包銅線如圖4所示，由于其表面為鋁材料，在鍵合時(shí)不需要事先對芯片表面進(jìn)行化學(xué)電鍍處理，提高了系統(tǒng)的可靠性。鋁包銅線的導(dǎo)電性能和導(dǎo)熱性能均比鋁線要好，增加了鍵合引線的可靠性，提高了IGBT功率模塊的使用壽命。

金線鍵合

金線鍵合技術(shù)主要應(yīng)用在集成度較高的IC芯片封裝中，金線的熱導(dǎo)率較高，散熱效果好，電阻率比鋁線低，導(dǎo)電性強(qiáng)。金線的膨脹系數(shù)為14.2×10-6K-1，為所有常用鍵合金屬材料中最低的，與硅芯片的匹配性較其他鍵合材料要好。但由于其價(jià)格過于昂貴，限制了其在半導(dǎo)體封裝中的廣泛應(yīng)用。 ? ? ??

銀線鍵合

銀鍵合線比金電阻率低，熱導(dǎo)率高，故無論從導(dǎo)電性還是散熱性都比較好，且其價(jià)格也相對較為便宜。銀線的熱膨脹系數(shù)較高，鍵合可靠性問題是需要著重考慮的。 ? ? ? 綜上所述，不同材料的鍵合引線，其主要應(yīng)用領(lǐng)域不同，均有一定程度的優(yōu)缺點(diǎn)。線鍵合會有較大的寄生電感，多跟線鍵合時(shí)會有鄰近效應(yīng)和電流分配不均等問題。帶鍵合雖然可有效地避免上述問題，但工藝難度增加，相應(yīng)的增加制造成本。另外由于鍵合材料熱膨脹系數(shù)不匹配引起的熱應(yīng)力積累，最終會影響功率器件的可靠性問題。因此在選擇鍵合引線時(shí)需要綜合考慮工藝、功率器件可靠性和成本等方面。

審核編輯：黃飛