主要厂家的IGBT模块技术和相关情况

电动汽车的飞速发展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。

1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。

2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。今天的内容希望大家能够喜欢~

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