新能源汽車級IGBT模組特別在哪裡？

新能源汽車，一個越來越引人關注的話題，節能，環保估計是其產生和流行的最重要的因素，全球的電動汽車銷量相對於傳統燃油車的比例越來越大，而中國依然成為全球增長速度最快的國家，2016年我國的電動汽車產量超50萬輛，預計2020年電動汽車的生產能量會達到200萬量，保有量可能會有500萬輛，約佔全球電動汽車的四至五成。

而電動汽車飛速發展，也帶動了其所需配套零件的發展，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模組。相對於電動汽車這樣的產品，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模組提出了很高的要求，同時也是很大的挑戰，各大模組廠商也紛紛推出自己的汽車級IGBT模組。今天我們就來聊聊主要廠家的IGBT模組技術和相關情況。

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模組的基本要求：

相對於工業IGBT模組，電動汽車對於驅動系統的功率密度、驅動效率等具有更高的要求，也存在著相應的難點：

①車輛執行時，特別實在擁堵的路況時的頻繁啟停，此時控制器的IGBT模組工作電流會相應的頻繁升降，從而導致IGBT的結溫快速變化，對於IGBT模組的壽命是個很大的考驗；

②採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模組持續承受著大電流，從而會造成模組的區域性過熱，這對散熱系統的設計帶來了挑戰，所以汽車一般都是水冷（單面或者雙面）。

③由於車況的不確定性，汽車級IGBT模組在車輛行駛中會受到較大的震動和衝擊，這對於IGBT模組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，對於控制器的大小以及IGBT模組的功率密度提出了更高的要求。

2電動汽車IGBT晶片和模組的現狀研究

IGBT晶片技術

針對上面的對汽車級模組的特殊要求，IGBT晶片正朝著小型化、低功耗、耐高溫、更高安全性以及智慧化的方向發展。目前最受流行的還屬國外的先進企業，因為國內汽車級IGBT晶片技術起步較晚，同時受限於基礎工藝和生產條件，技術發展較慢，雖然目前也有國產汽車級晶片，但是相對市場份額不是很大，我們還是聊聊國外晶片技術，英飛凌、富士、三菱等均有開發新一代的電動汽車級IGBT晶片。下面兩張圖給出 了英飛凌和富士IGBT晶片的技術最佳化路徑：

Infineon

FUJI

下表對比了英飛凌、富士、三菱三家公司新一代IGBT產品的工藝路線和關鍵指標：

汽車級IGBT模組封裝技術

對於IGBT晶片，可能被上面三家佔了很大的份額，但是購買晶片自主封裝也是現行的一種商業模式，比如說丹佛斯Danfoss，就是一家專注封裝技術的公司，目前國內汽車模組也能看到Danfoss的模組。

IGBT的封裝技術是實現電機控制器高溫執行、高可靠性、高功率密度的關鍵環節，涉及到晶片表面互連、貼片互連、導電端子引出互連等相關工藝。目前IGBT模組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引數最佳化等，主要是為了增強模組的散熱能力、減小體積，同時提高可靠性。

①晶片表面互連技術

IGBT模組內部常用引線鍵合的方法將晶片與晶片、晶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、熱力學效能較差，膨脹係數失配大，影響IGBT使用壽命。而銅線鍵合工藝具有電氣、熱力學效能優良等優點，可靠性高，適用於高功率密度、高效散熱的模組。但是銅鍵合工藝的難點是需要對晶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晶片。

引線鍵合技術相對工藝簡單、成本低廉；但也存在缺點，如多根引線並聯的鄰近效應會引起電流分佈不均，寄生電感較大會造成較高的關斷過電壓，金屬引線和半導體晶片之間熱膨脹失配會產生熱應力，從而影響使用壽命等。為了規避這些缺點，研究人員開發出其他新型晶片表面互聯技術：直接電極引出和柔性PCB技術。

②貼片互連技術

貼片互連是指將晶片下表面與絕緣襯板焊接在一起的互連工藝。軟釺焊接是常用的貼片焊接工藝，採用焊膏或焊片作為焊料、真空迴流焊接工藝，優點是工藝簡單、成本較低。採用軟釺焊工藝的焊接層熔點在220 ℃左右，而混合動力電動汽車中IGBT 晶片可能工作在175 ℃，焊接層熱負荷過重、模組可靠性低。為此業界開發出了低溫銀燒結貼片互聯工藝，焊料採用奈米或微米級銀顆粒。採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，且對裝置與工裝均提出了較高要求。

③端子引出技術

電動汽車用IGBT 模組的功率導電端子需要承載數百安培的大電流，對電導率和熱導率有較高的要求，車載環境中還要承受一定的振動和衝擊力，機械強度要求高。因此，採用傳統焊接工藝的導電端子已難以滿足其大電流衝擊、熱迴圈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。它採用高頻超聲能量使金屬原子在兩種材料介面間相互擴散，最終形成一種高強度鍵合介面。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 通常採用帶銅基板的三明治結構，晶片工作中產生的熱量流經各導熱層，最終經導熱矽脂傳遞給水冷系統。這種結構工藝簡單成熟，但是熱阻大、散熱效能差、結構笨重。目前散熱系統的設計採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 模組生產廠家，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品，並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上市，但是對於它的提升和最佳化空間還很大。不僅僅是我們說的IGBT模組，還有其他關鍵元器件的發展，比如電池（里程和充電速度），而且外在裝置也很重要，比如充電問題。

所以電動汽車還會不斷髮展，現在看來，也僅僅是前中期。

泰科天潤官網：碳化矽，半導體，功率器件，電動車，光伏，電力電子 - 泰科天潤半導體科技（北京）有限公司

微信公眾號：globalpowertech

*免責宣告：本文轉載自功率半導體那些事兒，由作者原創。文章內容系作者個人觀點，泰科天潤半導體轉載僅為了傳達一種不同的觀點，不代表泰科天潤半導體對該觀點贊同或支援，如果有任何異議，歡迎聯絡泰科天潤半導體。