对于工程设计人员来讲,IGBT芯片的性能,可以从规格书中很直观地得到。但是,系统设计时,这些性能能够发挥出来多少,就要看“封装“了,毕竟夏天穿着棉袄工作任谁也扛不。虼耍杂谂氯鹊腎GBT芯片来讲,就是要穿得“凉快”。
电动汽车逆变器的应用上,国际大厂还是倾向于自主封装的IGBT,追求散热效率的同时,以最优化空间布局,匹配系统需求。

晶圆生产:包含硅提炼及提纯、单晶硅生长、晶圆成型三个步骤,目前国际主流是8英寸晶圆,部分晶圆厂12英寸产线逐步投产,晶圆尺寸越大,良品率越高,最终生产的单个器件成本越低,市场竞争力越大。
芯片设计:IGBT制造的前期关键流程,目前主流的商业化产品基于Trench-FS设计,不同厂家设计的IGBT芯片特点不同,表现在性能上有一定差异。
芯片制造:芯片制造高度依赖产线设备和工艺,全球能制造出顶尖光刻机的厂商不足五家;要把先进的芯片设计在工艺上实现有非常大的难度,尤其是薄片工艺和背面工艺,目前这方面国内还有一些差距。
器件封装:器件生产的后道工序,需要完整的封装产线,核心设备依赖进口。?
以英飞凌IGBT芯片发展历程为例

不同厂商技术路线略有不同。
正所谓班门不弄斧,这部分给大家推荐一篇文章。
https://mp.weixin.qq.com/s/F8cQltQqad6zLUBC71TuwQ《英飞凌芯片简史》,很有意思。
看图:

IGBT?榈牡湫头庾肮ば:
芯片和DBC焊接绑线——>DBC和铜底板焊接——>安装外壳——>灌注硅胶——>密封——>终测
DBC(Direct Bonding Copper)
DBC(覆铜陶瓷基板)的作用:绝缘、导热,铜箔上可以刻蚀出各种图形,方便走电流。

对导热陶瓷的基本要求是导热、绝缘和良好的机械性能,目前常用的导热陶瓷材料参数:

IGBT?槌S玫腄BC散热陶瓷材料是氧化铝,应用最为成熟,为了继续提升?榈纳⑷刃阅埽糠帜?槌淘诟咝阅懿飞喜捎玫粱虻杼沾苫澹灾黾由⑷刃剩嵘?榈墓β拭芏。
刚开始接触IGBT?榈娜耍蚩狪GBT或许会有点迷惑,这里简单普及一下。

对于?椋颂嵘髂芰Γ话慊岵捎枚嘈酒⒘姆绞。

单面散热?樯⑷嚷肪度缦峦妓荆酒⑷仍矗ü鼶BC、铜底板传导至散热器。

散热路径的热阻越低越好,除了DBC采用热导率更高的高导热陶瓷材料之外,IGBT?橹圃焐淘诤附庸ひ丈舷铝瞬簧俟Ψ。
目前最成熟的焊接工艺采用的焊料是锡,为了满足高性能场合的应用,部分产品芯片与DBC的焊接部分采用银烧结技术,增强散热路径的导热性和可靠性。
对于单管方案,单管与散热底板的烧结逐渐成为趋势。
典型案例:

单管功率模组的散热原理与?槔嗨。
Model 3的SiC单管与散热器的焊接采用银烧结的方式,与Model X相比,显著提高了功率?樯⑷嚷肪兜纳⑷刃屎涂煽啃。
一般采用加速老化试验对IGBT?榈目煽啃越醒橹ぃβ恃罚≒C)试验最为常用。
功率循环过程中,芯片结温波动时,由于材料膨胀系数(coefficient of thermal expansion,CTE)不同产生热应力,?槌て诠ぷ髟谌妊烦寤飨碌贾虏牧掀@秃屠匣钪盏贾履?槭缏烈咄崖、焊接层断裂分层。
一般通过PCsec(秒级功率循环)试验来验证键合性能,循环次数越多越好,键合引线的疲劳老化通过饱和导通压降Vcesat来评估,循环过程中,Vcesat会有轻微上升趋势
焊料层和键合引线及键合处受到功率循环产生的热应力的反复冲击,导致焊料层因材料疲劳出现裂纹,裂纹生长甚至出现分层(空洞或气泡),导致键合引线的剥离、翘曲或熔断
功率?橹懈餍酒ü喔卟⒘。而实际运行中,一根引线的脱落会导致电流重新均流,加速其它引线相继脱落。

一般通过PCmin(分钟级功率循环)试验来验证焊接层性能,焊料层疲劳老化程度与结-壳热阻Rthjc正相关。
功率?橛梢熘什牧瞎钩啥嗖憬峁梗谌妊饭讨胁煌扰蛘拖凳牟牧匣岵槐溆αΓ共牧贤淝湫尾⒎⑸浔淦@停佣贾鹿栊酒牖逯湟约盎逵氲装逯涞暮附硬阒胁盐撇⒅鸾ダ┥ⅲ钪盏贾率Щ蚍植恪

对于应用工程师来讲,上边的内容重点关注封装及老化失效部分,怎么样根据系统的需求选择合适的IGBT?椋趺囱ü蒲У纳⑷壬杓瓢严低承屎凸β拭芏茸龅母
在做功率?樯杓频氖焙颍τ霉こ淌故遣灰苤朴谧约旱木椋晕锢淼谝恍缘脑蛉プ隼砺凵系淖钣派杓疲阅勘晡枷蛉タ朔路径上的困难,这样才能不跟在别人屁股后边走。
废话不多说,继续学习。
参考:
老化试验条件下的IGBT失效机理分析 ——赖伟
计及疲劳累积效应的IGBT?楹噶喜闶Щ砑捌@退鹕搜芯俊
本公众号内容,除原创作品外,均来源于网络,相关的文/图等内容,属原权利人所有。金沙集团转载此文仅作为行业信息和新闻分享,若有任何异议或侵权,敬请联系金沙集团,我们会及时处理,谢谢!
通过功率循环测试量化大功率多芯片IGBT模组热流路径中的分层、开裂区域