工業(yè)、EV、軌道交通用IGBT模塊的選材及封裝工藝對比

IGBT的應(yīng)用領(lǐng)域很廣，如工業(yè)領(lǐng)域中的變頻器,軌道交通領(lǐng)域的高鐵、地鐵、輕軌,新能源領(lǐng)域的新能源汽車、風(fēng)力發(fā)電等。根據(jù)工作環(huán)境的電壓不同，IGBT可以分為低壓（600V以下）、中壓（600V-1200V）、高壓（1700V-6500V）， 各電壓等級IGBT應(yīng)用領(lǐng)域各不相同，例如高壓高電流密度 IGBT 應(yīng)用于軌道交通與電網(wǎng)，中低壓IGBT應(yīng)用于新能源電動汽車（EV）。

下面我們一起來看看工業(yè)、EV、軌道交通這三個領(lǐng)域使用IGBT模塊的材料選擇及封裝工藝有何不同，供大家參考。

1.材料選擇對比

由下圖我們可以看到，外殼選材上，工業(yè)用IGBT模塊外殼一般采用通用型PBT材料，EV用IGBT模塊外殼采用增強型PBT材料，軌道交通用IGBT模塊外殼采用更耐溫綜合性能更好的PPS材料。工業(yè)、EV、軌道交通用IGBT模塊用的硅膠分別采用普通型凝膠、改進(jìn)型凝膠以及高溫型凝膠。

圖 工業(yè)、EV、高鐵用IGBT模塊的選材對比

陶瓷襯板方面，工業(yè)IGBT可以采用一般的DBC 氧化鋁陶瓷襯板，電動汽車上要求會比較高，采用ZTA（氧化鋯摻雜氧化鋁）或者氮化鋁 DBC陶瓷襯板，應(yīng)用在軌道交通上的IGBT要求更高，需要可靠性更高、綜合性能優(yōu)越的的AMB 氮化硅陶瓷襯板。在散熱基板的選材方面，工業(yè)IGBT一般采用銅底板或者銅底板+導(dǎo)熱界面材料（TIM），電動企業(yè)采用散熱效果更好的銅針鰭散熱器，軌道交通的底板則采用鋁碳化硅針鰭散熱器。

圖 各材料的熱導(dǎo)率及熱膨脹系數(shù)

在前面的文章《鋁碳化硅（AlSiC）基板在IGBT中的應(yīng)用》中，給大家介紹到，銅具有良好的導(dǎo)熱能力，可現(xiàn)快速散熱，且價格便宜，但銅的熱膨脹系數(shù)接近IGBT芯片的三倍，如果長期在震動環(huán)境下使用，其可靠性會大幅下降。而 AlSiC 熱導(dǎo)率雖不如銅，但熱膨脹系數(shù)更接近芯片及陶瓷基板，能夠有效改善模塊的熱循環(huán)能力。

2.封裝工藝對比

圖 工業(yè)、EV、高鐵用IGBT模塊的封裝工藝對比 封裝工藝方面，工業(yè)IGBT采用鋁線（Al）鍵合，電動汽車IGBT采用鋁帶鍵合，軌道交通IGBT采用銅線鍵合。鋁線鍵合工藝成熟、成本較低，但是鋁線鍵合的電氣、熱力學(xué)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(xué)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。

此外，還有賽米控（Semikron ）SKiN 封裝技術(shù)采用柔性PCB板取代鍵合線實現(xiàn)芯片的上下表面電氣連接。

圖 Semikron SKiN 封裝

工業(yè)IGBT芯片貼合采用錫銀焊料 ，DBC陶瓷襯底焊接采用錫膏；電動汽車、軌道交通用IGBT芯片貼合采用 Cu/Sn 共晶焊接或者銀燒結(jié)，DBC陶瓷襯底焊接分別采用錫片和擴(kuò)散焊。

更大的功率密度應(yīng)用需求，相應(yīng)的芯片結(jié)溫可達(dá)175℃甚至200℃，而這就與熔化溫度約220℃的標(biāo)準(zhǔn)錫基軟釬焊料相矛盾。如果使用這種軟釬焊料焊接芯片，模塊工作時的芯片結(jié)溫與焊料熔化溫度將非常接近，同系溫度>0.8（同系溫度，homologous temperature，Top/Tmelt=Thom），這將導(dǎo)致焊接層在熱應(yīng)力負(fù)載下很快就疲勞失效。解決這個矛盾有三種解決方案：①使用熔化溫度更高的軟釬焊焊料，②銀漿燒結(jié)技術(shù)（Ag paste sintering），③擴(kuò)散焊接技術(shù)（diffusion soldering）。

IGBT功率模塊內(nèi)部由多層堆疊而成，各層的材料不同，其主要的作用也不同。不同材料的不同特性對IGB模塊的整體性能有著十分重要的影響，要看具體的應(yīng)用要求來做選材。從工業(yè)、EV、軌道交通這三個領(lǐng)域使用IGBT模塊的材料選擇及封裝工藝來看，對于使用環(huán)境苛刻，可靠性要求更高的應(yīng)用領(lǐng)域，選擇的材料及封裝工藝具有更好的綜合性能和可靠性。

審核編輯 ：李倩