【技术分享】汽车级 IGBT 与普通 IGBT 有何异同？

新能源汽车，一个越来越引人关注的话题，节能，环保估计是其产生和流行的最重要的因素，全球的电动汽车销量相对于传统燃油车的比例越来越大，而中国依然成为全球增长速度最快的国家，2016 年我国的电动汽车产量超 50 万辆，预计 2020 年电动汽车的生产能量会达到 200 万量，保有量可能会有 500 万辆，约占全球电动汽车的四至五成。

而电动汽车飞速发展，也带动了其所需配套零件的发展，而其中最重要的核心部件，想必大家也猜到了，我们最关心的大功率开关器件——IGBT 模块。相对于电动汽车这样的产品，电压等级、功率等级、极限工况、可靠性、使用寿命和成本等都对其使用的 IGBT 模块提出了很高的要求，同时也是很大的挑战，各大模块厂商也纷纷推出自己的汽车级 IGBT 模块。今天我们就来聊聊主要厂家的 IGBT 模块技术和相关情况。

电动汽车级 IGBT 特点

电动汽车大致可以分为乘用车、商用车、物流车等，它们的驱动大致分为纯电动、混合动力和燃料电池动力等。下表列出了电动汽车的电机控制器和 IGBT 模块的基本要求：

相对于工业 IGBT 模块，电动汽车对于驱动系统的功率密度、驱动效率等具有更高的要求，也存在着相应的难点：

①车辆运行时，特别实在拥堵的路况时的频繁启停，此时控制器的 IGBT 模块工作电流会相应的频繁升降，从而导致 IGBT 的结温快速变化，对于 IGBT 模块的寿命是个很大的考验；

②采用永磁同步电机的电动汽车启动、驻车时，电机工作在近似堵转工况，此时的 IGBT 模块持续承受着大电流，从而会造成模块的局部过热，这对散热系统的设计带来了挑战，所以汽车一般都是水冷(单面或者双面)。

③由于车况的不确定性，汽车级 IGBT 模块在车辆行驶中会受到较大的震动和冲击，这对于 IGBT 模块的各引线端子的机械强度提出了较高的要求；

④车体的大小限制，对于控制器的大小以及 IGBT 模块的功率密度提出了更高的要求。

电动汽车 IGBT 芯片和模块的现状研究

IGBT 芯片技术

针对上面的对汽车级模块的特殊要求，IGBT 芯片正朝着小型化、低功耗、耐高温、更高安全性以及智能化的方向发展。目前最受流行的还属国外的先进企业，因为国内汽车级 IGBT 芯片技术起步较晚，同时受限于基础工艺和生产条件，技术发展较慢，虽然目前也有国产汽车级芯片，但是相对市场份额不是很大，我们还是聊聊国外芯片技术，英飞凌、富士、三菱等均有开发新一代的电动汽车级 IGBT 芯片。下面两张图给出了英飞凌和富士 IGBT 芯片的技术优化路径：

Infineon

FUJI

下表对比了英飞凌、富士、三菱三家公司新一代 IGBT 产品的工艺路线和关键指标：

汽车级 IGBT 模块封装技术

对于 IGBT 芯片，可能被上面三家占了很大的份额，但是购买芯片自主封装也是现行的一种商业模式，比如说丹佛斯 Danfoss，就是一家专注封装技术的公司，目前国内汽车模块也能看到 Danfoss 的模块。

IGBT 的封装技术是实现电机控制器高温运行、高可靠性、高功率密度的关键环节，涉及到芯片表面互连、贴片互连、导电端子引出互连等相关工艺。目前 IGBT 模块封装的研究主要集中在新型互连材料、互连方式等相关工艺参数优化等，主要是为了增强模块的散热能力、减小体积，同时提高可靠性。

①芯片表面互连技术

IGBT 模块内部常用引线键合的方法将芯片与芯片、芯片与绝缘衬板表面金属化层、半导体绝缘衬板之间以及绝缘衬板与功率端子之间进行电气互连。

常用的键合线有铝线和铜线两种。

其中铝线键合工艺成熟、成本较低，但是铝线键合的电气、热力学性能较差，膨胀系数失配大，影响 IGBT 使用寿命。而铜线键合工艺具有电气、热力学性能优良等优点，可靠性高，适用于高功率密度、高效散热的模块。但是铜键合工艺的难点是需要对芯片表面进行铜金属化处理，同时需要更高的超声能量，这有可能伤及 IGBT 芯片。

引线键合技术相对工艺简单、成本低廉；但也存在缺点，如多根引线并联的邻近效应会引起电流分布不均，寄生电感较大会造成较高的关断过电压，金属引线和半导体芯片之间热膨胀失配会产生热应力，从而影响使用寿命等。为了规避这些缺点，研究人员开发出其他新型芯片表面互联技术:直接电极引出和柔性 PCB 技术。

②贴片互连技术

贴片互连是指将芯片下表面与绝缘衬板焊接在一起的互连工艺。软钎焊接是常用的贴片焊接工艺，采用焊膏或焊片作为焊料、真空回流焊接工艺，优点是工艺简单、成本较低。采用软钎焊工艺的焊接层熔点在 220 ℃左右，而混合动力电动汽车中 IGBT 芯片可能工作在 175 ℃，焊接层热负荷过重、模块可靠性低。为此业界开发出了低温银烧结贴片互联工艺，焊料采用纳米或微米级银颗粒。采用这种工艺的焊接层具有高热导率、高电导率、高可靠性的优点，但是工艺实施过程中需要施加高温、高压，材料成本较高，且对设备与工装均提出了较高要求。

③端子引出技术

电动汽车用 IGBT 模块的功率导电端子需要承载数百安培的大电流，对电导率和热导率有较高的要求，车载环境中还要承受一定的振动和冲击力，机械强度要求高。因此，采用传统焊接工艺的导电端子已难以满足其大电流冲击、热循环作用和机械振动等严苛工况的要求。

金属超声键合是一种适合电动汽车 IGBT 导电端子焊接的工艺。它采用高频超声能量使金属原子在两种材料界面间相互扩散，最终形成一种高强度键合界面。该工艺简单快捷，接触电阻较低，键合强度较高。

④散热设计

早期电动汽车用 IGBT 通常采用带铜基板的三明治结构，芯片工作中产生的热量流经各导热层，最终经导热硅脂传递给水冷系统。这种结构工艺简单成熟，但是热阻大、散热性能差、结构笨重。目前散热系统的设计采用平面互连和双面冷却技术，使得散热效果大幅提升。

小结：

国际主流的电动汽车 IGBT 模块生产厂家，如英飞凌、富士电机、三菱电机、赛米控、博世、电装等，均成功推出了系列化产品，并在电动汽车上得到较为广泛的应用。

当然，电动汽车虽然已有多种车型量产上市，但是对于它的提升和优化空间还很大。不仅仅是我们说的 IGBT 模块，还有其他关键元器件的发展，比如电池(里程和充电速度)，而且外在设备也很重要，比如充电问题。

所以电动汽车还会不断发展，现在看来，也仅仅是前中期。