主要廠家的IGBT模塊技術和相關情況

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，我們最關心的大功率開關器件——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模塊技術和相關情況。

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，電動汽車對于驅動系統(tǒng)的功率密度、驅動效率等具有更高的要求，也存在著相應的難點：

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的頻繁升降，從而導致IGBT的結溫快速變化，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企業(yè)，因為國內汽車級IGBT芯片技術起步較晚，同時受限于基礎工藝和生產(chǎn)條件，技術發(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，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)品的工藝路線和關鍵指標：

汽車級IGBT模塊封裝技術

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的公司，目前國內汽車模塊也能看到Danfoss的模塊。IGBT的封裝技術是實現(xiàn)電機控制器高溫運行、高可靠性、高功率密度的關鍵環(huán)節(jié)，涉及到芯片表面互連、貼片互連、導電端子引出互連等相關工藝。

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IGBT模塊內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、半導體絕緣襯板之間以及絕緣襯板與功率端子之間進行電氣互連。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)的鄰近效應會引起電流分布不均，寄生電感較大會造成較高的關斷過電壓，金屬引線和半導體芯片之間熱膨脹失配會產(chǎn)生熱應力，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：直接電極引出和柔性PCB技術。

②貼片互連技術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 ℃，焊接層熱負荷過重、模塊可靠性低。為此業(yè)界開發(fā)出了低溫銀燒結貼片互聯(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率、高電導率、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，且對設備與工裝均提出了較高要求。

③端子引出技術電動汽車用IGBT 模塊的功率導電端子需要承載數(shù)百安培的大電流，對電導率和熱導率有較高的要求，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苛工況的要求。金屬超聲鍵合是一種適合電動汽車IGBT 導電端子焊接的工藝。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散熱設計早期電動汽車用IGBT 通常采用帶銅基板的三明治結構，芯片工作中產(chǎn)生的熱量流經(jīng)各導熱層，最終經(jīng)導熱硅脂傳遞給水冷系統(tǒng)。這種結構工藝簡單成熟，但是熱阻大、散熱性能差、結構笨重。目前散熱系統(tǒng)的設計采用平面互連和雙面冷卻技術，使得散熱效果大幅提升。小結：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用。

當然，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，還有其他關鍵元器件的發(fā)展，比如電池（里程和充電速度），而且外在設備也很重要，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。今天的內容希望大家能夠喜歡~

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