【導(dǎo)讀】油電混合動(dòng)力汽車(chē)和電動(dòng)汽車(chē)逐漸獲得大家的認(rèn)可，這為電子行業(yè)創(chuàng)造了大量機(jī)遇。雖然近年來(lái)電子元件在典型汽車(chē)物料單中所占的比例逐漸提高，但是采用電力牽引可能是將現(xiàn)代汽車(chē)塑造成一種電氣裝置的顯著進(jìn)步。
作為油電混合動(dòng)力或純電動(dòng)汽車(chē)高壓基礎(chǔ)設(shè)施的一部分，IGBT逆變器功率模塊是用于控制牽引電機(jī)的電傳系統(tǒng)的關(guān)鍵元件。典型模塊包含1個(gè)三相全橋逆變器，其由6個(gè)IGBT開(kāi)關(guān)和若干續(xù)流二極管組成，如圖1所示。幾個(gè)IGBT器件可以用在各個(gè)開(kāi)關(guān)位置，以便實(shí)現(xiàn)所需的額定電流和通態(tài)電阻。
圖1：典型HEV/EV功率模塊的三相逆變器。
如果電機(jī)的額定功率為100Kw(相當(dāng)于134馬力)，那么效率高達(dá)97%的模塊會(huì)主要以熱的形式耗散掉3kW左右的能量。如果模塊要提供令人滿意的可靠 性，那么有效去除該熱量是關(guān)鍵。現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)已經(jīng)設(shè)立了很高的可靠性標(biāo)準(zhǔn)，而電動(dòng)汽車(chē)必須達(dá)到這些標(biāo)準(zhǔn)方可獲得廣大消費(fèi)者的認(rèn)可。
提高模塊可靠性
提高模塊可靠性和額定功率的措施包括采用裸片IGBT和優(yōu)化模塊結(jié)構(gòu)，進(jìn)而將導(dǎo)致焦耳加熱的寄生電損耗降至最低水平，在IGBT晶圓和模塊基板之間實(shí)現(xiàn)最低的熱阻。
與第一代油電混合動(dòng)力汽車(chē)采用的功率模塊相比，如今模塊的典型熱疊加被大大簡(jiǎn)化，從而將晶圓和模塊基板之間的熱阻降至了最低水平。基板可能帶有大量散熱片 以實(shí)現(xiàn)空氣冷卻，或者更常見(jiàn)的則是利用水/乙二醇混合物進(jìn)行液體冷卻。典型現(xiàn)代IGBT功率模塊的熱疊加和電觸頭如圖2所示。
圖2：典型IGBT功率模塊的構(gòu)造。
至于IGBT，適用于現(xiàn)代大功率應(yīng)用的器件需要高達(dá)300A(或更高)的電流處理能力。這導(dǎo)致晶圓尺寸大至100mm2(或更高)。此外，最新一代器件采用超薄晶圓技術(shù)制造而成，晶圓厚度為100?m(或更低)。這樣就將電路徑長(zhǎng)度降至了最低水平，從而進(jìn)一步提升了通態(tài)性能，還降低了載流電荷，有助于提高開(kāi)關(guān)效率。超薄晶圓技術(shù)還增強(qiáng)了散熱。
然而，超薄晶圓為模塊制造商提出了艱巨的生產(chǎn)挑戰(zhàn)，最終會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)線良率降低。模塊通常采用裸IGBT晶圓裝配，從而抵消了任何二次封裝相關(guān)的無(wú)晶圓封裝電 阻(DFPR)和封裝熱阻(RTHj-c)，進(jìn)而提高了能源效率和熱性能。在被從載流中彈射出來(lái)時(shí)或者在后續(xù)處理過(guò)程中，大型超薄芯圓可能會(huì)折斷。[page]
可能要使用特殊處理設(shè)備，但是當(dāng)模塊暴露在熱循環(huán)中時(shí)，晶圓尺寸大可能會(huì)直接影響可靠性。晶圓尺寸大會(huì)導(dǎo)致晶圓與模塊基底之間CTE嚴(yán)重失配，從而在焊接 的管芯連接接頭或晶圓上產(chǎn)生較大的應(yīng)力。多次熱循環(huán)之后，管芯連接接頭會(huì)退化，從而導(dǎo)致IGBT晶圓和基底之間的熱阻增加。這會(huì)造成過(guò)熱，進(jìn)而降低性能， 最終導(dǎo)致模塊過(guò)早損壞。
制造商可以通過(guò)將晶圓焊接到直接鍵合銅(DBC)基底上來(lái)降低材料之間CTE失配對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。這類裝配用鋁焊線(見(jiàn)圖2)將IGBT發(fā)射極連接到模塊終 端上，通常會(huì)使用幾根直徑介于0.25mm(0.01英寸)和0.5mm(0.02英寸)之間的粗導(dǎo)線。可靠性測(cè)試表明，焊線和前敷金屬之間的接口很容易 疲勞，因此限制了模塊的使用壽命。
在最終測(cè)試時(shí)，模塊制造商遇到了另一個(gè)挑戰(zhàn)------生產(chǎn)率。他們?cè)诜庋b前通常無(wú)法在全工作電流下測(cè)試功率半導(dǎo)體芯片。因此，某些與裸片有關(guān)的故障可能只有在已裝配模塊的最終測(cè)試期間才能發(fā)現(xiàn)，這就降低了良率。
同一封裝內(nèi)的裸片性能
國(guó)際整流器公司(以下簡(jiǎn)稱“IR”)的COOLiR2Die是一項(xiàng)新型封裝技術(shù)，旨在彌補(bǔ)傳統(tǒng)裸片裝配的不足。這種封裝技術(shù)中的晶圓直接附于CTE與硅類 似的DBC基底之上。該基底為晶圓提供機(jī)械支持，消除了對(duì)焊線的需求，還實(shí)現(xiàn)了雙面冷卻，進(jìn)而提升了熱性能。器件采用卷帶封裝，可利用傳統(tǒng)SMT設(shè)備進(jìn)行 放置。
晶圓電極鍍有銀，使其易于焊接。這就是它與鍍鋁或鋁合金的傳統(tǒng)絲焊模塊使用的芯片之間的關(guān)鍵區(qū)別。消除焊線除提高了可靠性，還提升了電性能。周邊集電極凸點(diǎn)和晶圓背面的電極之間的電阻約為48??。利用6根直徑為0.5mm的鋁焊線實(shí)現(xiàn)的典型連接的總電阻超過(guò)140??。
利用這種封裝技術(shù)，IGBT可實(shí)現(xiàn)倒裝晶圓或晶圓朝上配置。倒裝晶圓配置如圖3所示，由IGBT和二極管構(gòu)成，二者均翻轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)，所以IGBT的柵極和發(fā)射 極以及二極管的陽(yáng)極都附在DBC基底上。管芯連接材料可以是高鉛焊料，也可以是面向無(wú)鉛應(yīng)用的燒結(jié)銀材料。IGBT的發(fā)射極和柵極以及二極管的陽(yáng)極通過(guò) DBC基底的導(dǎo)電線與周邊觸點(diǎn)相連。
圖3：倒裝晶圓裝配
在晶圓朝上配置(如圖4所示)中，發(fā)射極和柵極都正面朝上(因此稱為“晶圓朝上”)，而IGBT集電極和二極管的陰極則與周邊觸點(diǎn)相連。
圖4：晶圓朝上裝配
借助于倒裝晶圓和晶圓朝上配置，模塊制造商可以利用模塊DBC基底的銅絲(見(jiàn)圖5)來(lái)連接倒裝晶圓IGBT的發(fā)射極和晶圓朝上器件的集電極，進(jìn)而有效地構(gòu)建半橋或全橋電路。
圖5：半橋模塊內(nèi)的倒裝晶圓和晶圓朝上IGBT
COOLiR2Die DBC基底有幾種功能。除了為超薄晶圓提供機(jī)械支持，它還在晶圓表面的電極和封裝的周邊終端之間實(shí)現(xiàn)了低電阻/低電感互 連，保證晶圓與封裝背面之間電絕緣。DBC的電介質(zhì)芯可以是氧化鋁(Al2O3)、氮化鋁(AlN)或氮化硅(Si3N4)。材料的選擇及厚度取決于成本 以及熱和可靠性要求。Al2O3是一種成本較低的電介質(zhì)，CTE低且接近于硅，而AlN和Si3N4的CTE與硅更接近，但成本較高。[page]
在晶圓附于DBC基底上時(shí)，IGBT和二極管電機(jī)之間的大接觸面積以及DBC上的導(dǎo)電線有助于在晶圓和封裝正面之間提供低熱阻通道。由于封裝的頂部是電絕 緣的，所以模塊制造商可以借此機(jī)會(huì)利用如圖6所示之布局進(jìn)一步提升熱性能。在該圖中，模塊蓋用作散熱器，其通過(guò)熱界面材料(TIM)與封裝正面實(shí)現(xiàn)熱耦合。
圖6：利用絕緣封裝正面增強(qiáng)了冷卻效果
根據(jù)晶圓尺寸，COOLiR2Die器件的生產(chǎn)工藝包括高達(dá)500A(或更高，如果需要的話)的大電流測(cè)試。這能夠幫助那些需要將多個(gè)晶片裝配到逆變器基圓上的用戶提高模塊產(chǎn)量。
為了構(gòu)建模塊，傳統(tǒng)SMT置放機(jī)可以用來(lái)放置元件，周邊終端和IGBT與二極管電極朝下，這樣就能夠?qū)⑵浜附拥侥KDBC基底上去。然后進(jìn)行回流焊。對(duì)于那些需要3-5%或更低的焊接空洞的大功率應(yīng)用而言，建議采用真空回流焊。
結(jié)論
油電混合動(dòng)力和電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)不斷發(fā)展，旨在提高效率、功率和可靠性，而這項(xiàng)新技術(shù)有助于消除焊線，提高裝配率，簡(jiǎn)化生產(chǎn)逆變器功率模塊所需的工藝和設(shè)備。
