IGBT7模块如何连续工作在175℃

话说，你们第七代芯片模块为什么不能够持续运行在175℃?......

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故事就这样开始了

近几年主流芯片制造厂商，包括Infineon, Fuji, Mitsubishi等都相继问世了第七代芯片，在芯片大小，芯片厚度，饱和压降，开关损耗等权衡之间进行了升级。其中，最高工作结温被提及的次数略多。

其中富士的AN是这样介绍的

英飞凌的AN是这样介绍的

这样的话，很容易就出现了开头的那个问题，也是经常被问及的问题。你要说英飞凌的IGBT7无法连续运行在175℃吗?我肯定不信，为什么这么说?其实富士的AN那句截图后面还有几个字，

封装技术，富士第七代模块能够持续运行在175℃的主要原因还是它针对于模块封装进行改进升级，那英飞凌不能够做到吗?或者其他供应商不能够做到吗?答案显然不是，肯定是能够做到的，我猜想，暂时没这么做的原因是处于多方面的，目前大多是行业还没有迫切地需求175℃，亦或者是短暂的175℃过载已经能够满足要求了，没必要在成本几乎占主导的市场做过多的性能溢出。

说到封装技术的限制，让人又不得不联想到第三代宽禁带半导体，之前我们有聊到，第三代半导体碳化硅，氮化镓相对于硅基的一个特点是可以工作在更高的温度(>500℃)，但是受封装限制，短时间肯定无法实现。在新能源汽车领域上，不难看到Tj,max在200℃的模块，主要是新能源相对于传统工业或者风光储等来说，模块封装设计自由度较高，比如丹佛斯的DCM1000系列，或者赛米控的EMPACK等。

所以，市场需求和成本导向决定了取舍，不是我不能，是我暂时不想。那连续运行更高的结温到底需要什么样的封装技术呢?为什么要这样呢?我们先来看看富士的AN如何说的。

新材料开发(高散热绝缘基板，高耐热硅凝胶，高强度焊锡)，其实这些改动是为了在更高的结温下能够使得可靠性不会因此而降低。下面我们一起来看看，IGBT运行更高的结温到底要考虑哪些?

175℃/over那些事

首先，上述无论是第七代硅基芯片还是宽禁带半导体芯片，其真实的允许工作结温肯定是超过175℃的，或者更高的温度。之前我们有聊到过，芯片材料的温度取决于其本征载流子和掺杂浓度，为了维持基本功能，本征载流子的浓度不能超过最低掺杂浓度。

如果连续运行温度从150℃提升到175℃，也就是说模块材料的热应力相应地增加了25℃，同样的温度变化范围也会有所变大，因此需要开发新材料来满足这些变化。我们先来看看富士同样的模块在两个温度上的功率循环对比，

可见，温度从150℃增加到175℃，寿命减少了30%~50%，所以需要针对封装进行优化已满足寿命的降低，这样才能够达到真正意义上的持续175℃工作结温。

下图是功率模块组成部分，

功率半导体芯片、互连材料、陶瓷基板、绑定线、底板、封装剂以及外壳。

01互连材料

模块内部的互联，从最早的铅锡系统，到无铅焊料，但是其耐温相对较低，而当下流行的银烧结，完全足够解决这个问题，但相对而言成本较高。富士采用的是以Sn-Sb为基础强化的一种焊料，能够满足175℃这一要求。

02陶瓷基板

直接键合铜DBC应用较为广泛，夹在铜层之间的陶瓷层能够承受相应的高温。主要挑战在于尽量减少由于各层之间的热膨胀系数CTE不匹配而产生的热机械应力。其中AlN相对于Al2O3具有更高的热导率，CTE更接近芯片，但成本较高，包括Si3N4。而为了高温下的可靠性，AlN一般作为首选，富士就是AlN。另外，直接键合铝也可用于基板，但由于铝在大温度循环中会出现表面粗造化，一般很少用在高温功率半导体模块中。

03绑定线

绑定线断裂作为功率循环中的一种失效模式，为了在高温和大温度循环下的可靠性，绑定线的材料和焊盘金属化材料都需要进行仔细选择。优选的是，绑定线和焊盘采用相同的材料，因为在高温下不同金属之间会发生相互扩散和界面腐蚀，从而降低连接可靠性。富士采用的在铝表面镀层镍来进行绑定，铝和镍已被证实高达350℃下是可靠的。

04底板

衬底需要具有一定的机械强度和高的热导率，并和DBC的热膨胀系数相匹配，由于铜相对AlN而言，CTE匹配程度相对较差，可以尝试金属基复合材料MMC来改善。

05封装剂(硅凝胶)

我们一般说的硅凝胶主要功能是保护芯片和绑定线不受环境影响，如水分的扩散、化学污染，同时还应增加模块内部的介电强度和散热。硅凝胶的转变温度需要较高，否则会出现裂纹甚至降解。

06外壳

外壳也一样存在一个转变温度Tg，需要具有较高的值来保护模块免受振动、机械冲击和环境的影响。

富士AN是这样写的

以上是IGBT或者第三代半导体工作在更高的工作结温时所需要考量的因素，更高的温度下保证客观的寿命是很重要的，而行业应用的需求同样也必须考虑在类。而根据更高的温度带来的好处，想必在不久的将来，175℃将成为一个普遍的需求。

不要问我为什么

行业的趋势，成本的考量，模块厂家的战略决定了市面上我们所看到的，并不是某个人可以决定的。读完今天的内容想必应该对175℃那些事略知一二，足矣!

审核编辑：汤梓红