新能源汽车的核心之IGBT

来源：罗姆半导体社区

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，约占电机驱动系统成本的一半，而电机驱动系统占整车成本的15-20%，也就是说IGBT占整车成本的7-10%，是除电池之外成本第二高的元件，也决定了整车的能源效率。

2016年全球电动车销量大约200万辆，共消耗了大约9亿美元的IGBT管，平均每辆车大约450美元，是电动车里除电池外最昂贵的部件。 其中，混合动力和PHEV大约77万辆，每辆车需要大约300美元的IGBT，纯电动车大约123万辆，平均每辆车使用540美元的IGBT，大功率的纯电公交车用的IGBT可能超过1000美元。2017年全球纯电动汽车销量达到123万辆，中国市场份额超过50%，增存量市场空间巨大。

什么是 IGBT?

IGBT是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件。 与以前的各种电力电子器件相比，IGBT具有以下特点：高输入阻抗，可采用通用低成本的驱动线路；高速开关特性;导通状态低损耗。 IGBT兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点， 在综合性能方面占有明显优势，非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。

对于混合动力，除驱动电机外，另外还有一个发电机，可以由汽车的发动机带动其发电，然后通过IGBT模块AC/DC转换后向电池充电。在DM车型中，该发电机还可以充当驱动电机的作用。

IGBT最常见的形式其实是模块(Module)，而不是单管。模块的基本特征：多个芯片以绝缘方式组装到金属基板上；空心塑壳封装，与空气的隔绝材料是高压硅脂或者硅脂，以及其他可能的软性绝缘材料；同一个制造商、同一技术系列的产品，IGBT模块的技术特性与同等规格的IGBT 单管基本相同。

模块的主要优势有：多个IGBT芯片并联，IGBT的电流规格更大。多个IGBT芯片按照特定的电路形式组合，如半桥、全桥等，可以减少外部电路连接的复杂性。多个IGBT芯片处于同一个金属基板上，等于是在独立的散热器与IGBT芯片之间增加了一块均热板，工作更可靠。一个模块内的多个IGBT芯片经过了模块制造商的筛选，其参数一致性比市售分立元件要好。模块中多个IGBT芯片之间的连接与多个分立形式的单管进行外部连接相比，电路布局更好，引线电感更小。

模块的外部引线端子更适合高压和大电流连接。同一制造商的同系列产品，模块的最高电压等级一般会比IGBT 单管高1-2个等级，如果单管产品的最高电压规格为1700V，则模块有2500V、3300V 乃至更高电压规格的产品。

晶圆上的一个最小全功能单元称为Cell，晶圆分割后的最小单元，构成IGBT 单管或者模块的一个单元的芯片单元，合称为IGBT的管芯。一个IGBT管芯称为模块的一个单元，也称为模块单元、模块的管芯。模块单元与IGBT管芯的区别在最终产品，模块单元没有独立的封装，而管芯都有独立的封装，成为一个IGBT管。 近来还有一种叫IPM的模块，把门级驱动和保护电路也封装进IGBT模块内部，不过工作频率自然不能太高咯。 单管的价格要远低于模块，但是单管的可靠性远不及模块。

IGBT的关键有两点，一是散热，二是背板工艺。 IGBT的正面工艺和标准BCD的LDMOS没区别，区别在背面，背面工艺有几点，首先是减薄，大约需要减薄6-8毫米，减得太多容易碎片，减得太少没有效果。接下来是离子注入，注入一层薄磷做缓冲层，第四代需要两次注入磷，本来硅片就很薄了，两次注入很容易碎片。 然后是清洗，接下来金属化，在背面蒸镀一层钛或银，最后是Alloy，因为硅片太薄，很容易翘曲或碎片。

这些工艺不仅需要长期摸索，同时还需要针对工艺开发生产设备，只有对生产线和设备都非常精通的企业才能胜任。

自第六代以后，IGBT自身的潜力已经挖掘的差不多了，大家都把精力转移到IGBT的封装上，也就是散热。 车用IGBT的散热效率要求比工业级要高得多，逆变器内温度最高可达大20度，同时还要考虑强振动条件，车规级的IGBT远在工业级之上。

解决散热的第一点，就是提高 IGBT模块内部的导热导电性能、耐受功率循环的能力， IGBT模块内部引线技术经历了粗铝线键合、 铝带键合再到铜线键合的过程，提高了载流密度。

第二点，新的焊接工艺，传统焊料为锡铅合金， 成本低廉、工艺简单， 但存在环境污染问题， 且车用功率模块的芯片温度已经接近锡铅焊料熔点(220℃)。 解决该问题的新技术主要有：低温银烧结技术和瞬态液相扩散焊接。与传统工艺相比， 银烧结技术的导热性、耐热性更好， 具有更高的可靠性。 瞬态液相扩散焊接通过特殊工艺形成金属合金层， 熔点比传统焊料高， 机械性能更好。

第三点，改进DBC和模块底板，降低散热热阻， 提高热可靠性， 减小体积，降低成本等。以 AlN 和 AlSiC 等材料取代 DBC 中的Al2O3和Si3N4等常规陶瓷，热导率更高，与Si 材料的热膨胀系数匹配更好。

此外，新型的散热结构，如 Pin Fin结构 和 Shower Power结构， 能够显著降低模块的整体热阻，提高散热效率。

第四点，就是扩大模块与散热底板间的连接面积，如端子压接技术。

散热的关键是材料，GBT的下一代SiC(碳化硅)技术已经崭露头角， SiC能将新能源车的效率再提高10%，这是新能源车提高效率最有效的技术

使用SiC元器件能让设备体积更小，功耗更低。因具备高耐压、高耐热特性，使在小空间和严酷环境下的安装成为可能。应用于混合动力汽车和电动汽车，可大幅降低油耗，扩大车内空间，从而有更多空间设置更大的电池，有效提高行驶距离。

罗姆的SiC器件可以大幅降低逆变器的能量损耗，并且随着体积的减小，对新能源汽车的性能提升有着非常大的帮助。

审核编辑黄昊宇