提高電動(dòng)汽車逆變器性能該如何助力? - 全文

　　油電混合動(dòng)力汽車（HEV）和電動(dòng)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(jī)。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(jìn)展。

　　作為油電混合動(dòng)力或純電動(dòng)汽車高壓基礎(chǔ)設(shè)備的一部份，IGBT轉(zhuǎn)換器功率模塊是用于控制牽引馬達(dá)中傳動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵組件。典型模塊包含1個(gè)三相全橋轉(zhuǎn)換器，由6個(gè)IGBT開關(guān)和若干續(xù)流二極管組成，如圖1所示。幾個(gè)IGBT組件可用在各個(gè)開關(guān)位置，以便實(shí)現(xiàn)所需的額定電流和導(dǎo)通電阻。

　　圖1：典型HEV/EV功率模塊的三相轉(zhuǎn)換器。

　　如果馬達(dá)的額定功率為100Kw（相當(dāng)于134馬力），那么效率高達(dá)97%的模塊會(huì)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(guān)鍵。現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)汽車已經(jīng)建立了很高的可靠性標(biāo)準(zhǔn)，而電動(dòng)汽車必須達(dá)到這些標(biāo)準(zhǔn)方可獲得廣大消費(fèi)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(jié)構(gòu)，進(jìn)而將導(dǎo)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(shí)現(xiàn)最低的熱阻。

　　與第一代油電混合動(dòng)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?shí)現(xiàn)空氣冷卻，或者更常見的是利用水/乙二醇混合物進(jìn)行液體冷卻。典型現(xiàn)代IGBT功率模塊的熱迭加和電觸點(diǎn)如圖2所示。

　　圖2：典型IGBT功率模塊的構(gòu)造。

　　至于IGBT，適用于現(xiàn)代高功率應(yīng)用中需要高達(dá)300A（或更高）的電流處理能力的組件。這導(dǎo)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(shù)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(jìn)一步提升了導(dǎo)通性能，還降低了電流負(fù)載，有助于提高開關(guān)效率。同時(shí)，超薄晶圓技術(shù)還增強(qiáng)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(dǎo)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(guān)的無晶圓封裝電阻（DFPR）和封裝熱阻（RTHj-c），進(jìn)而提高了能源效率和熱性能。在經(jīng)由負(fù)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(huì)折斷。

　　雖然有時(shí)必須使用特殊處理設(shè)備，但當(dāng)模塊暴露在熱循環(huán)時(shí)，晶圓尺寸較大可能直接影響可靠性。晶圓尺寸較大會(huì)導(dǎo)致晶圓與模塊基底之間CTE嚴(yán)重錯(cuò)位，因而在焊接的管芯連接器或晶圓上產(chǎn)生較大的應(yīng)力。經(jīng)過多次熱循環(huán)之后，管芯連接器逐漸退化，因而導(dǎo)致IGBT晶圓和基底之間的熱阻增加。這會(huì)造成過熱，進(jìn)而降低性能，最終導(dǎo)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(jié)構(gòu)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(huì)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(dǎo)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(shí)，模塊制造商遇到了另一個(gè)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(dǎo)體芯片。因此，某些與芯片有關(guān)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(xiàng)新型封裝技術(shù)，旨在彌補(bǔ)傳統(tǒng)芯片裝配的不足。這種封裝技術(shù)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(jī)械支持，消除了對焊線的需求，還實(shí)現(xiàn)了雙面冷卻，進(jìn)而提升了熱性能。組件采用卷帶封裝，可利用傳統(tǒng)SMT設(shè)備進(jìn)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(guān)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(diǎn)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(shí)現(xiàn)的典型連接的總電阻超過140uΩ。

　　利用這種封裝技術(shù)，IGBT可實(shí)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(gòu)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(yīng)用的燒結(jié)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(dǎo)線與外圍觸點(diǎn)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(diǎn)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(jìn)而有效地建構(gòu)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(jī)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(shí)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(shí)，IGBT和二極管馬達(dá)之間的較大接觸面積以及DBC上的導(dǎo)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(jī)會(huì)利用如圖6所示的布局進(jìn)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(shí)現(xiàn)熱耦合。

　　圖6：利用絕緣封裝正面增強(qiáng)冷卻效果。

　　根據(jù)晶圓尺寸，COOLiR2DIE組件的生產(chǎn)工藝包括高達(dá)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(gè)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(gòu)模塊，傳統(tǒng)SMT置放機(jī)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(jìn)行回流焊。而對于需要3-5%或更低焊接空洞的高功率應(yīng)用而言，建議采用真空回流焊。

　　結(jié)語

　　油電混合動(dòng)力和電動(dòng)汽車技術(shù)不斷發(fā)展，旨在提高效率、功率和可靠性，而這項(xiàng)新技術(shù)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(shè)備。