面向汽车应用的IGBT功率模块浅谈

诸如高环境温度、暴露于机械冲击以及特定的驱动循环等环境条件，要求对IGBT功率模块的机械和电气特性给予特别的关注，以便在整个使用寿命期间能确保其性能得到充分发挥，并保持很高的可靠性。本文对IGBT的功率和热循环、材料选型以及电气特性等问题和故障模式进行了探讨。各种工业应用中通常会使用多达十几种的绝缘栅双极晶体管(IGBT)，设计IGBT模块的目的就是为了向某种专门的应用提供最优的性价比和适当的可靠性。图1为现有的IGBT功率模块的主要组成部分。商用电动车(EV)和混合动力电动车(HEV)的出现为IGBT模块创造了一个新的市场。EV和HEV中对IGBT功率模块的可靠性要求最高的部分是传动系，IGBT位于逆变器中，为混合系统的电机提供能量。根据传动系的概念，逆变器可以放置在汽车尾箱、变速箱内或引擎盖下靠近内燃机的位置，因此IGBT模块要经受严峻的热和机械条件(振动和冲击)的考验。为向汽车设计人员提供高可靠性的标准工业IGBT模块，IGBT设计人员必须特别小心地选择材料和设计电气特性，以得到相似甚至更好的结果。热循环和热冲击试验在热循环(TC)期间，待测器件(DUT)交替地暴露于被精确设定的最低和最高温度下，使其管壳的温差(ΔTC)达到80K到100K。DUT处于最低和最高温度的存储时间必须足以使其达到热平衡(即2到6分钟)。此项试验的重点是检测焊接处的疲劳特性。通过更严格的试验，还可以研究其它部分(如模块的框架)所存在的弱点。热冲击试验(TST)，也被称作二箱试验，是在经过扩展的ΔTC的条件下进行的，例如从-40oC到+150oC，其典型的存储时间为1小时。功率循环在热循环/热冲击试验过程中，从外部加热DUT，而在功率循环(PC)期间，DUT被流经模块内部的负载电流主动地加热。因此，模块内部的温度梯度和不同材料层的温度都比热循环过程中高得多。模块的冷却是通过主动关断负载电流以及使用外部散热措施来实现的。最典型的是使用水冷散热器，但空气冷却系统也较常用。试验装置能在加热阶段停止水流，待进入冷却阶段后再重新打开水流。通过功率循环，能对绑定线的连接以及焊接处的疲劳特性进行研究。IGBT模块的故障模式除由超出IGBT模块的电气规范(如过电压和/或过电流)所引起的损害外，还会出现其它一些故障机制。下面将探讨在功率循环、热循环、机械振动或机械冲击试验中出现的一些典型的故障模式。热循环和特定的热冲击试验能揭示出系统焊锡层(即位于基板和被称作陶瓷衬底的直接键合铜，即DCB之间)的耐久度信息。铜基板和Al2O3陶瓷的标准材料组合在经过600个热冲击试验循环后，系统的焊锡层出现了分层现象。这一试验结果反映出所选材料具有不同的热膨胀系数(CTE)。两种材料的热膨胀系数相差越大，它们对于中间层(即焊锡层)的机械应力就越大。图2给出了不同材料的热膨胀系数。我们的目标是选用热膨胀系数差别尽可能小的材料来进行组合。但另一方面，并不是每种材料都是首选的，即使它们的热膨胀系数十分匹配，因为材料本身的成本可能会太高，或者在生产过程中难以被加工或加工成本太高。功率循环所引起的故障模式一般位于绑定线的连接位置。通常为绑定线剥离和/或芯片顶部的铝金属化重建。在某些情况下，还能观察到绑定线跟部出现裂缝。机械和热效应会不断地造成绑定线发生移动，从而引发裂缝，最终材料疲劳会导致绑定线本身出现故障。除功率模块的内部部件外，其外壳也会被外部的极端环境和/或工作条件所损坏。