提高电动汽车逆变器性能该如何助力?

　　油电混合动力汽车（HEV）和电动汽车（EV）逐渐被市场接受，这为电子产业创造了诸多商机。虽然近年来电子组件在典型汽车物料清单中所占的比例逐渐提高，但是采用电力牵引可望成为塑造现代汽车成为电气装置的一大进展。

　　作为油电混合动力或纯电动汽车高压基础设备的一部份，IGBT转换器功率模块是用于控制牵引马达中传动系统的关键组件。典型模块包含1个三相全桥转换器，由6个IGBT开关和若干续流二极管组成，如图1所示。几个IGBT组件可用在各个开关位置，以便实现所需的额定电流和导通电阻。

　　

　　图1：典型HEV/EV功率模块的三相转换器。

　　如果马达的额定功率为100Kw（相当于134马力），那么效率高达97%的模块会以热的形式耗散掉3kW左右的能量。如果模块要提供令人满意的可靠性，那么有效去除该热量则是一大关键。现代内燃机汽车已经建立了很高的可靠性标准，而电动汽车必须达到这些标准方可获得广大消费者的接受。

　　提高模块可靠性

　　提高模块可靠性和额定功率的措施包括采用芯片IGBT和优化模块结构，进而将导致焦耳加热的寄生电损耗降至最低水平，在IGBT晶圆和模块基板之间实现最低的热阻。

　　与第一代油电混合动力汽车采用的功率模块相较，如今的模块典型热迭加被大幅简化，因而将晶圆和模块基板之间的热阻降到了最低程度。基板可能具有大量散热片以实现空气冷却，或者更常见的是利用水/乙二醇混合物进行液体冷却。典型现代IGBT功率模块的热迭加和电触点如图2所示。

　　

　　图2：典型IGBT功率模块的构造。

　　至于IGBT，适用于现代高功率应用中需要高达300A（或更高）的电流处理能力的组件。这导致晶圆尺寸大至100mm2（或更高）。此外，最新一代组件采用超薄晶圆技术制造而成，晶圆厚度为100um（或更低），从而使电路路径长度降至最低，不仅进一步提升了导通性能，还降低了电流负载，有助于提高开关效率。同时，超薄晶圆技术还增强了散热。

　　然而，超薄晶圆为模块制造商带来了艰巨的生产挑战，最终可能导致产线良率降低。模块通常采用IGBT裸晶装配，因而抵销了任何二次封装相关的无晶圆封装电阻（DFPR）和封装热阻（RTHj-c），进而提高了能源效率和热性能。在经由负载电流弹射出来或在后续处理过程中，大型超薄晶圆可能会折断。

　　虽然有时必须使用特殊处理设备，但当模块暴露在热循环时，晶圆尺寸较大可能直接影响可靠性。晶圆尺寸较大会导致晶圆与模块基底之间CTE严重错位，因而在焊接的管芯连接器或晶圆上产生较大的应力。经过多次热循环之后，管芯连接器逐渐退化，因而导致IGBT晶圆和基底之间的热阻增加。这会造成过热，进而降低性能，最终导致模块过早损坏。

　　制造商可以通过将晶圆焊接到直接键合铜（DBC）基底上来降低材料之间CTE不匹配对结构的影响。这类装配用铝焊线（见图2）将IGBT发射极连接到模块终端上，通常会使用几根直径介于0.25mm（0.01英吋）和0.5mm（0.02英吋）之间的粗导线。可靠性测试显示，焊线和熔敷金属之间的接口很容易疲劳，因此限制了模块的使用寿命。

　　在最终测试时，模块制造商遇到了另一个挑战──生产良率。他们在封装前通常无法在全工作电流下测试功率半导体芯片。因此，某些与芯片有关的故障情形可能只在已装配模块的最终测试期间才能发现，因而降低了良率。

　　同一封装内的芯片性能

　　国际整流器公司（IR）的COOLiR2DIE是一项新型封装技术，旨在弥补传统芯片装配的不足。这种封装技术的晶圆直接附加在CTE与硅晶类似的DBC基底上。该基底为晶圆提供机械支持，消除了对焊线的需求，还实现了双面冷却，进而提升了热性能。组件采用卷带封装，可利用传统SMT设备进行放置。

　　晶圆电极镀有银，使其易于焊接。这就是它与镀铝或铝合金的传统丝焊模块使用的芯片之间的关键区别。消除焊线除了提高可靠性，还提升了电气性能。外围集电极凸点和晶圆背面的电极之间电阻约为48uΩ。利用6根直径为0.5mm的铝焊线实现的典型连接的总电阻超过140uΩ。

　　利用这种封装技术，IGBT可实现覆晶晶圆或使晶圆朝上配置。覆晶晶圆配置如图3所示，由IGBT和二极管构成，二者均翻转过来，使IGBT的闸极与发射极以及二极管的阳极都附在DBC基底上。管芯连接材料可采用高铅焊料，也可以是针对无铅应用的烧结银材料。IGBT的发射极和闸极以及二极管的阳极通过DBC基底的导线与外围触点相连。

　　

　　图3：覆晶晶圆装配。

　　在晶圆朝上的配置（如图4所示）中，发射极和闸极都正面朝上（因此称为‘晶圆朝上’），而IGBT集电极和二极管的阴极则与外围触点相连。

　　

　　图4：晶圆朝上配置。

　　通过采用覆晶晶圆和晶圆朝上的配置，模块制造商可以利用模块DBC基底的铜丝（见图5）来连接覆晶晶圆IGBT的发射极和晶圆朝上组件的集电极，进而有效地建构半桥或全桥电路。

　　

　　图5：半桥模块内的覆晶晶圆和晶圆朝上IGBT。

　　COOLiR2DIEDBC基底有几种功能。除了为超薄晶圆提供机械支持以外，它还在晶圆表面的电极和封装的外围终端之间实现了低电阻/低电感互连，确保晶圆与封装背面之间的电绝缘特性。DBC的电介质芯可以采用氧化铝（Al2O3）、氮化铝（AlN）或氮化硅（Si3N4），材料的选择与厚度取决于成本、热以及可靠性的要求。Al2O3是一种成本较低的电介质，CTE低且接近于硅晶，AlN和Si3N4的CTE更接近于硅晶，但成本较高。

　　在晶圆附于DBC基底上时，IGBT和二极管马达之间的较大接触面积以及DBC上的导线有助于在晶圆和封装正面之间提供低热阻通道。由于封装顶部是电绝缘的，所以模块制造商可以借机会利用如图6所示的布局进一步提升热性能。在该图中，模块上盖作为散热片，通过热接口材料（TIM）与封装正面实现热耦合。

　　

　　图6：利用绝缘封装正面增强冷却效果。

　　根据晶圆尺寸，COOLiR2DIE组件的生产工艺包括高达500A（或更高，如果需要的话）的大电流测试。这能够帮助那些需要将多个芯片装配到转换器基底上的用户提高模块产量。

　　为了建构模块，传统SMT置放机可用来放置组件，外围终端和IGBT与二极管电极朝下，这样就能够将其焊接到模块DBC基底上。然后进行回流焊。而对于需要3-5%或更低焊接空洞的高功率应用而言，建议采用真空回流焊。

　　结语

　　油电混合动力和电动汽车技术不断发展，旨在提高效率、功率和可靠性，而这项新技术有助于消除焊线，提高装配率，简化生产转换器功率模块所需的工艺和设备。