- 汽車(chē)級IGBT高可靠性要求
- 汽車(chē)級IGBT可靠性改進(jìn)
- IGBT功率循環(huán)
- IGBT溫度循環(huán)
針對汽車(chē)功率模塊需求，英飛凌通過(guò)增強IGBT的功率循環(huán)和溫度循環(huán)特性，并增加IGBT結構強度，大大提高了IGBT的壽命預期。
混合動(dòng)力車(chē)輛中功率半導體模塊的要求
工作環(huán)境惡劣(高溫、振動(dòng))
IGBT位于逆變器中，需要在高環(huán)境溫度及機械沖擊下，按照特定的汽車(chē)驅動(dòng)工況，為混合系統的電機提供能量。
根據不同車(chē)輛設計，逆變器可能放置在汽車(chē)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(jīng)受?chē)谰臏囟?-40℃～150℃)和機械條件(振動(dòng)、沖擊)的考驗。
IGBT模塊通常采用發(fā)動(dòng)機冷卻液冷卻，環(huán)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。
復雜的驅動(dòng)工況
不同于工業(yè)應用中電機拖動(dòng)，混合動(dòng)力車(chē)輛驅動(dòng)工況更復雜，例如對應城市工況，需要頻繁切換于加速、減速、巡航各個(gè)狀態(tài)，因此通過(guò)IGBT的電流、電壓并非常量，而是隨車(chē)輛工況反復循環(huán)波動(dòng)，IGBT模塊需要在電流、電壓循環(huán)沖擊下可靠運行。
高可靠性要求
IGBT功率模塊失效將會(huì )導致車(chē)輛立刻失去動(dòng)力，嚴重影響整車(chē)廠(chǎng)商信譽(yù)和用戶(hù)使用體驗。
汽車(chē)生產(chǎn)廠(chǎng)家需要IGBT模塊在HEV全壽命周期中無(wú)需更換，對IGBT的耐久性提出了更高要求(汽車(chē)整車(chē)設計壽命15年)。
成本控制要求
大規模生產(chǎn)的汽車(chē)不同于列車(chē)牽引應用，在性能要求很高的條件下，不能通過(guò)增加成本的方法換取可靠性，需要在成本和性能上達到平衡，對產(chǎn)品的設計提出了更高的要求。因此，針對汽車(chē)應用中各種限制條件，需要專(zhuān)用IGBT才能滿(mǎn)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。芯片的表面通過(guò)綁定線(xiàn)(bondingwire)壓焊到銅層上。大多數標準模塊采用這種制作方法。目前70%到80%的功率模塊都按照標準模塊結構來(lái)制造。陶瓷一般采用Al2O3，基板采用銅為材料。IGBT底板通過(guò)導熱硅脂安裝散熱器。
英飛凌汽車(chē)級IGBT可靠性改進(jìn)
可靠性是IGBT應用于汽車(chē)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(huán)次數(thermalcycling)和功率循環(huán)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(guān)注。
功率循環(huán)
通常，逆變器設計主要考慮IGBTTjmax(最高結溫)的限制，但在混合動(dòng)力車(chē)應用中，逆變器較少處于恒定工況，加速、巡航、減速都會(huì )帶來(lái)電流、電壓的改變，由此帶來(lái)的ΔTj(結溫快速變化)將會(huì )更大程度影響IGBT的壽命，IGBT導通電流波動(dòng)時(shí)，綁定線(xiàn)也會(huì )隨之擺動(dòng)，對綁定線(xiàn)和IGBT芯片連接可靠性有較大的影響，反復的擺動(dòng)可能導致綁定線(xiàn)壽命的耗盡(EOL，EndofLife)，例如綁定線(xiàn)和IGBT芯片焊接脫落、綁定線(xiàn)斷裂等，直接導致IGBT的損壞。
[page]
為了模擬汽車(chē)運行工況，針對HEV頻繁的加速、減速、巡航帶來(lái)的電流沖擊，英飛凌定義了“秒級功率循環(huán)試驗”(powercyclingsecond，電流加熱，外部水冷冷卻)，通過(guò)加速老化試驗，模擬電氣沖擊下綁定線(xiàn)的焊接可靠性，英飛凌汽車(chē)級IGBT需要承受ΔTj=60k，最大節溫150℃，0.5s<tcycl<5s，150kc次功率循環(huán)而不損壞。
相對于傳統工業(yè)應用，混合動(dòng)力車(chē)(HEV)中的IGBT工作環(huán)境惡劣，因而對IGBT長(cháng)期使用的可靠性提出了更高的要求。
相對傳統工業(yè)模塊主要有以下幾點(diǎn)改進(jìn)：
●綁定線(xiàn)材料改進(jìn);
●芯片結構加強;
●綁定線(xiàn)連接回路優(yōu)化;
●優(yōu)化后的焊接工藝。
溫度循環(huán)
逆變器在HEV中，通常位于前艙靠近發(fā)動(dòng)機或位于傳動(dòng)機構附近，IGBT模塊將承受較高的環(huán)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(jiàn)圖3)，每種材料具有不同的CTE(熱膨脹系數)，CTE的差別會(huì )影響功率模塊的使用壽命，當模塊使用時(shí)，溫度的變化會(huì )在不同層間產(chǎn)生機械應力而導致焊接脫落，我們的目標是選用熱膨脹系數差別盡可能小的材料來(lái)進(jìn)行焊接組合。但另一方面，即使它們的熱膨脹系數十分匹配，因為材料本身的成本可能會(huì )太高，或者在生產(chǎn)過(guò)程中難以被加工或加工成本太高。例如列車(chē)牽引應用中的AlSiC基板。熱膨脹系數和襯底幾乎相同，因此有更好的熱循環(huán)特性。但對混合動(dòng)力車(chē)應用因成本過(guò)高而很難被接受。
英飛凌通過(guò)改進(jìn)后的Al2O3陶瓷基片技術(shù)，在不大幅度增加成本的前提下，同樣可以達到混合動(dòng)力汽車(chē)中熱循環(huán)次數的要求。
通常IGBT模塊通過(guò)被動(dòng)溫度循環(huán)(ThermalCycling)加速測試焊接可靠性，對于汽車(chē)級IGBT，英飛凌定義更嚴酷的熱沖擊試驗(TST，ThermalShockTest)，相對TC試驗有更大的溫度變化范圍，-40℃～+125℃，1000次循環(huán)(普通工業(yè)模塊TST只需50次)。
按照英飛凌計算方式，汽車(chē)級IGBT模塊壽命為工業(yè)級2.5倍，為牽引級1/4，可滿(mǎn)足汽車(chē)全壽命使用無(wú)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(jìn)，英飛凌汽車(chē)級IGBT還對IGBT外殼和接線(xiàn)端子進(jìn)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(chē)嚴酷的應用環(huán)境，例如以下幾個(gè)方面。
(1)溫度特性加強。相較通常工業(yè)應用，汽車(chē)內IGBT需要承受較高的溫度沖擊，如果IGBT的外殼材料不夠堅固，將會(huì )在溫度沖擊下斷裂損壞，英飛凌汽車(chē)級IGBT需在熱沖擊試驗-40℃～+125℃1000次下完好無(wú)損。通過(guò)塑料材料和優(yōu)化的工藝參數，改進(jìn)后的IGBT外殼可靠性大大增強。
(2)結構特性加強。在HEV中，IGBT震動(dòng)大大超過(guò)普通工業(yè)模塊，外殼和端子將承受較大的機械沖擊，英飛凌汽車(chē)級IGBT可以承受超過(guò)5g的機械振動(dòng)和超過(guò)30g的機械沖擊。
英飛凌汽車(chē)級IGBT產(chǎn)品
為滿(mǎn)足汽車(chē)級應用，英飛凌對推出HEV專(zhuān)用的IGBT模塊，包括2款產(chǎn)品：
●HybridPACK1—400A/650VIGBT6單元，針對電機功率20kW~30kW左右的輕度混合動(dòng)力汽車(chē);
●HybridPACK2—800A/650VIGBT6單元，針對電機功率80kW左右的的全混合動(dòng)力車(chē)。
主要的產(chǎn)品特點(diǎn)：
●6單元IGBT簡(jiǎn)化逆變器設計;
●工作結溫為150℃，最大節溫175℃;
●IGBT技術(shù);
●改進(jìn)后的綁定線(xiàn)工藝;
●改進(jìn)后的陶瓷基片增加焊接可靠性;
●6NTC;
●改進(jìn)后的綁定線(xiàn)工藝;
●改進(jìn)后的陶瓷基片增加焊接可靠性;
●直接水冷系統，提升模塊散熱能力。
隨著(zhù)功率器件在汽車(chē)中越來(lái)越多地應用，對可靠性提出了更高的要求，例如本文描述的功率循環(huán)和溫度循環(huán)特性。針對汽車(chē)應用，英飛凌推出的汽車(chē)級IGBT模塊具有高可靠性、長(cháng)壽命、適中成本的特點(diǎn)，只有在混合動(dòng)力汽車(chē)應用需要專(zhuān)用的功率半導體模塊，才能保證核心零部件的可靠性，直接關(guān)系著(zhù)混合動(dòng)力車(chē)的成功與否。
