中心議題：

• 汽車級IGBT高可靠性要求
• 汽車級IGBT可靠性改進

解決方案：

• IGBT功率循環
• IGBT溫度循環

針對汽車功率模塊需求，英飛淩通過增強IGBT的功率循環和溫度循環特性
，並增加IGBT結構強度，大大提高了IGBT的壽命預期。


混合動力車輛中功率半導體模塊的要求

工作環境惡劣(高溫、振動)

IGBT位於逆變器中
，需要在高環境溫度及機械衝擊下


，按照特定的汽車驅動工況，為混合係統的電機提供能量。

根據不同車輛設計，逆變器可能放置在汽車尾箱、變速箱內或引擎蓋下靠近內燃機的位置，因此IGBT模塊要經受嚴峻的溫度(-40℃～150℃)和機械條件(振動

、衝擊)的考驗。

IGBT模塊通常采用發動機冷卻液冷卻，環境溫度在極限情況下可達Ta=105℃，對功率模塊的功率密度及散熱設計提出了更高的要求。

複雜的驅動工況

不同於工業應用中電機拖動
，混合動力車輛驅動工況更複雜，例如對應城市工況

，需要頻繁切換於加速、減速、巡航各個狀態，因此通過IGBT的電流、電壓並非常量，而是隨車輛工況反複循環波動
，IGBT模塊需要在電流
、電壓循環衝擊下可靠運行。

高可靠性要求

IGBT功率模塊失效將會導致車輛立刻失去動力，嚴重影響整車廠商信譽和用戶使用體驗。

汽車生產廠家需要IGBT模塊在HEV全壽命周期中無需更換，對IGBT的耐久性提出了更高要求(汽車整車設計壽命15年)。

成本控製要求

大(da)規(gui)模(mo)生(sheng)產(chan)的(de)汽(qi)車(che)不(bu)同(tong)於(yu)列(lie)車(che)牽(qian)引(yin)應(ying)用(yong)，在(zai)性(xing)能(neng)要(yao)求(qiu)很(hen)高(gao)的(de)條(tiao)件(jian)下(xia)
，不(bu)能(neng)通(tong)過(guo)增(zeng)加(jia)成(cheng)本(ben)的(de)方(fang)法(fa)換(huan)取(qu)可(ke)靠(kao)性(xing)


，需(xu)要(yao)在(zai)成(cheng)本(ben)和(he)性(xing)能(neng)上(shang)達(da)到(dao)平(ping)衡(heng)，對(dui)產(chan)品(pin)的(de)設(she)計(ji)提(ti)出(chu)了(le)更(geng)高(gao)的(de)要(yao)求(qiu)。因(yin)此(ci)，針(zhen)對(dui)汽(qi)車(che)應(ying)用(yong)中(zhong)各(ge)種(zhong)限(xian)製(zhi)條(tiao)件(jian)，需(xu)要(yao)專(zhuan)用(yong)IGBT才能滿足苛刻的應用需求。

IGBT結構

圖3顯示了帶基板的功率模塊的結構。兩側都帶薄銅層的陶瓷襯底被焊接在基板上。IGBT芯片被焊在設計好的銅層上。芯片的表麵通過綁定線(bondingwire)壓焊到銅層上。大多數標準模塊采用這種製作方法。目前70%到80%的功率模塊都按照標準模塊結構來製造。陶瓷一般采用Al2O3，基板采用銅為材料。IGBT底板通過導熱矽脂安裝散熱器。



英飛淩汽車級IGBT可靠性改進

可靠性是IGBT應用於汽車中的最大挑戰

，除了電壓、電流等常規參數的設計考慮，涉及IGBT可靠性的主要參數有：溫度循環次數(thermalcycling)和功率循環次數(powercycling)，決定了IGBT的使用壽命，其他參數例如IGBT機械可靠性特性也需要額外的關注。

功率循環

通常，逆變器設計主要考慮IGBTTjmax(最高結溫)的限製，但在混合動力車應用中，逆變器較少處於恒定工況，加速、巡航
、減速都會帶來電流
、電壓的改變
，由此帶來的ΔTj(結溫快速變化)將會更大程度影響IGBT的壽命，IGBT導通電流波動時，綁定線也會隨之擺動
，對綁定線和IGBT芯片連接可靠性有較大的影響，反複的擺動可能導致綁定線壽命的耗盡(EOL，EndofLife)
，例如綁定線和IGBT芯片焊接脫落
、綁定線斷裂等，直接導致IGBT的損壞。
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為了模擬汽車運行工況，針對HEV頻繁的加速、減速
、巡航帶來的電流衝擊，英飛淩定義了“秒級功率循環試驗”(powercyclingsecond
，電流加熱，外部水冷冷卻)，通過加速老化試驗
，模擬電氣衝擊下綁定線的焊接可靠性，英飛淩汽車級IGBT需要承受ΔTj=60k，最大節溫150℃
，0.5s<tcycl<5s，150kc次功率循環而不損壞。
相對於傳統工業應用，混合動力車(HEV)中的IGBT工作環境惡劣，因而對IGBT長期使用的可靠性提出了更高的要求。

相對傳統工業模塊主要有以下幾點改進：

●綁定線材料改進;

●芯片結構加強;

●綁定線連接回路優化;

●優化後的焊接工藝。

溫度循環

逆變器在HEV中
，通常位於前艙靠近發動機或位於傳動機構附近，IGBT模塊將承受較高的環境溫度和溫度變化，對IGBT模塊內部焊接層有較大影響。


IGBT模塊由多層不同材料組成(見圖3)，每種材料具有不同的CTE(熱膨脹係數)，CTE的(de)差(cha)別(bie)會(hui)影(ying)響(xiang)功(gong)率(lv)模(mo)塊(kuai)的(de)使(shi)用(yong)壽(shou)命(ming)
，當(dang)模(mo)塊(kuai)使(shi)用(yong)時(shi)，溫(wen)度(du)的(de)變(bian)化(hua)會(hui)在(zai)不(bu)同(tong)層(ceng)間(jian)產(chan)生(sheng)機(ji)械(xie)應(ying)力(li)而(er)導(dao)致(zhi)焊(han)接(jie)脫(tuo)落(luo)
，我(wo)們(men)的(de)目(mu)標(biao)是(shi)選(xuan)用(yong)熱(re)膨(peng)脹(zhang)係(xi)數(shu)差(cha)別(bie)盡(jin)可(ke)能(neng)小(xiao)的(de)材(cai)料(liao)來(lai)進(jin)行(xing)焊(han)接(jie)組(zu)合(he)。但(dan)另(ling)一(yi)方(fang)麵(mian)，即(ji)使(shi)它(ta)們(men)的(de)熱(re)膨(peng)脹(zhang)係(xi)數(shu)十(shi)分(fen)匹(pi)配(pei)

，因(yin)為(wei)材(cai)料(liao)本(ben)身(shen)的(de)成(cheng)本(ben)可(ke)能(neng)會(hui)太(tai)高(gao)，或(huo)者(zhe)在(zai)生(sheng)產(chan)過(guo)程(cheng)中(zhong)難(nan)以(yi)被(bei)加(jia)工(gong)或(huo)加(jia)工(gong)成(cheng)本(ben)太(tai)高(gao)。例(li)如(ru)列(lie)車(che)牽(qian)引(yin)應(ying)用(yong)中(zhong)的(de)AlSiC基板。熱膨脹係數和襯底幾乎相同
，因此有更好的熱循環特性。但對混合動力車應用因成本過高而很難被接受。

英飛淩通過改進後的Al2O3陶瓷基片技術

，在不大幅度增加成本的前提下
，同樣可以達到混合動力汽車中熱循環次數的要求。

通常IGBT模塊通過被動溫度循環(ThermalCycling)加速測試焊接可靠性
，對於汽車級IGBT，英飛淩定義更嚴酷的熱衝擊試驗(TST，ThermalShockTest)，相對TC試驗有更大的溫度變化範圍，-40℃～+125℃，1000次循環(普通工業模塊TST隻需50次)。


按照英飛淩計算方式，汽車級IGBT模塊壽命為工業級2.5倍，為牽引級1/4
，可滿足汽車全壽命使用無需更換模塊要求，又很好地平衡了成本。

機械結構的加強

除了對上述IGBT內部封裝工藝的改進，英飛淩汽車級IGBT還對IGBT外殼和接線端子進行了增強
，包括溫度特性和機械結構特性的加強，以應對汽車嚴酷的應用環境，例如以下幾個方麵。

(1)溫度特性加強。相較通常工業應用，汽車內IGBT需要承受較高的溫度衝擊，如果IGBT的外殼材料不夠堅固，將會在溫度衝擊下斷裂損壞，英飛淩汽車級IGBT需在熱衝擊試驗-40℃～+125℃1000次下完好無損。通過塑料材料和優化的工藝參數
，改進後的IGBT外殼可靠性大大增強。

(2)結構特性加強。在HEV中，IGBT震動大大超過普通工業模塊

，外殼和端子將承受較大的機械衝擊，英飛淩汽車級IGBT可以承受超過5g的機械振動和超過30g的機械衝擊。

英飛淩汽車級IGBT產品

為滿足汽車級應用，英飛淩對推出HEV專用的IGBT模塊，包括2款產品：

●HybridPACK1—400A/650VIGBT6單元，針對電機功率20kW~30kW左右的輕度混合動力汽車;

●HybridPACK2—800A/650VIGBT6單元，針對電機功率80kW左右的的全混合動力車。

主要的產品特點：

●6單元IGBT簡化逆變器設計;

●工作結溫為150℃，最大節溫175℃;

●IGBT技術;

●改進後的綁定線工藝;

●改進後的陶瓷基片增加焊接可靠性;

●6NTC;

●改進後的綁定線工藝;

●改進後的陶瓷基片增加焊接可靠性;

●直接水冷係統，提升模塊散熱能力。

隨sui著zhe功gong率lv器qi件jian在zai汽qi車che中zhong越yue來lai越yue多duo地di應ying用yong
，對dui可ke靠kao性xing提ti出chu了le更geng高gao的de要yao求qiu

，例li如ru本ben文wen描miao述shu的de功gong率lv循xun環huan和he溫wen度du循xun環huan特te性xing。針zhen對dui汽qi車che應ying用yong，英ying飛fei淩ling推tui出chu的de汽qi車che級jiIGBT模塊具有高可靠性、長壽命、適(shi)中(zhong)成(cheng)本(ben)的(de)特(te)點(dian)，隻(zhi)有(you)在(zai)混(hun)合(he)動(dong)力(li)汽(qi)車(che)應(ying)用(yong)需(xu)要(yao)專(zhuan)用(yong)的(de)功(gong)率(lv)半(ban)導(dao)體(ti)模(mo)塊(kuai)，才(cai)能(neng)保(bao)證(zheng)核(he)心(xin)零(ling)部(bu)件(jian)的(de)可(ke)靠(kao)性(xing)
，直(zhi)接(jie)關(guan)係(xi)著(zhe)混(hun)合(he)動(dong)力(li)車(che)的(de)成(cheng)功(gong)與(yu)否(fou)。