IGBT（絕緣柵雙極晶體管）是由BJT（雙極型三極管）和MOS（絕緣柵型場效應(yīng)管）組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動式電力電子器件，既具有MOSFET的輸入阻抗高、控制功率小、驅(qū)動電路簡單、開關(guān)速度高的優(yōu)點(diǎn)，又具有雙極功率晶體管的電流密度大、飽和壓降低、電流處理能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。IGBT模塊是由一個(gè)或多個(gè)IGBT芯片分別裝在絕緣的襯底上，該襯底被固定在散熱用的銅基板上。為便于系統(tǒng)組裝，且保持模塊內(nèi)外的引線電感，模塊中還安裝有續(xù)流二極管。IGBT主要應(yīng)用領(lǐng)域包括工業(yè)控制、消費(fèi)電子產(chǎn)品、計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)通信領(lǐng)域等，電動汽車是IGBT的新興應(yīng)用領(lǐng)域，對IGBT有新的要求。國外發(fā)展情況傳統(tǒng)IGBT生產(chǎn)廠家主要集中在歐、美、日。其中，英飛凌、富士電機(jī)、三菱電機(jī)、西門康等企業(yè)專門針對車用IGBT展開研究并成功推出產(chǎn)品，能滿足電動汽車需求，并在電動汽車上得到較為廣泛的應(yīng)用。

　　混合動力車輛中功率半導(dǎo)體模塊的要求

　　工作環(huán)境惡劣（高溫、振動）

　　IGBT位于逆變器中，需要在高環(huán)境溫度及機(jī)械沖擊下，按照特定的汽車驅(qū)動工況，為混合系統(tǒng)的電機(jī)提供能量。

　　根據(jù)不同車輛設(shè)計(jì)，逆變器可能放置在汽車尾箱、變速箱內(nèi)或引擎蓋下靠近內(nèi)燃機(jī)的位置，因此IGBT模塊要經(jīng)受嚴(yán)峻的溫度（-40℃~150℃）和機(jī)械條件（振動、沖擊）的考驗(yàn)。

　　IGBT模塊通常采用發(fā)動機(jī)冷卻液冷卻，環(huán)境溫度在極限情況下可達(dá)Ta=105℃，對功率模塊的功率密度及散熱設(shè)計(jì)提出了更高的要求。

　　復(fù)雜的驅(qū)動工況

　　不同于工業(yè)應(yīng)用中電機(jī)拖動，混合動力車輛驅(qū)動工況更復(fù)雜，例如對應(yīng)城市工況，需要頻繁切換于加速、減速、巡航各個(gè)狀態(tài)，因此通過IGBT的電流、電壓并非常量，而是隨車輛工況反復(fù)循環(huán)波動，IGBT模塊需要在電流、電壓循環(huán)沖擊下可靠運(yùn)行。

　　高可靠性要求

　　IGBT功率模塊失效將會導(dǎo)致車輛立刻失去動力，嚴(yán)重影響整車廠商信譽(yù)和用戶使用體驗(yàn)。

　　汽車生產(chǎn)廠家需要IGBT模塊在HEV全壽命周期中無需更換，對IGBT的耐久性提出了更高要求（汽車整車設(shè)計(jì)壽命15年）。

　　成本控制要求

　　大規(guī)模生產(chǎn)的汽車不同于列車牽引應(yīng)用，在性能要求很高的條件下，不能通過增加成本的方法換取可靠性，需要在成本和性能上達(dá)到平衡，對產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。因此，針對汽車應(yīng)用中各種限制條件，需要專用IGBT才能滿足苛刻的應(yīng)用需求。

　　IGBT結(jié)構(gòu)

　　圖3顯示了帶基板的功率模塊的結(jié)構(gòu)。兩側(cè)都帶薄銅層的陶瓷襯底被焊接在基板上。IGBT芯片被焊在設(shè)計(jì)好的銅層上。芯片的表面通過綁定線（bondingwire）壓焊到銅層上。大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)模塊采用這種制作方法。目前70%到80%的功率模塊都按照標(biāo)準(zhǔn)模塊結(jié)構(gòu)來制造。陶瓷一般采用Al2O3,基板采用銅為材料。IGBT底板通過導(dǎo)熱硅脂安裝散熱器。

　　英飛凌汽車級IGBT可靠性改進(jìn)

　　可靠性是IGBT應(yīng)用于汽車中的挑戰(zhàn)，除了電壓、電流等常規(guī)參數(shù)的設(shè)計(jì)考慮，涉及IGBT可靠性的主要參數(shù)有：溫度循環(huán)次數(shù)（thermalcycling）和功率循環(huán)次數(shù)（powercycling），決定了IGBT的使用壽命，其他參數(shù)例如IGBT機(jī)械可靠性特性也需要額外的關(guān)注。

　　功率循環(huán)

　　逆變器（inverter）是把直流電能（電池、蓄電瓶）轉(zhuǎn)變成交流電（一般為220v50HZ正弦或方波）。應(yīng)急電源，一般是把直流電瓶逆變成220V交流的。通俗的講，逆變器是一種將直流電（DC）轉(zhuǎn)化為交流電（AC）的裝置。它由逆變橋、控制邏輯和濾波電路組成。廣泛適用于空調(diào)、家庭影院、電動砂輪、電動工具、縫紉機(jī)、DVD、VCD、電腦、電視、洗衣機(jī)、抽油煙機(jī)、冰箱，錄像機(jī)、按摩器、風(fēng)扇、照明等 .簡單地說，逆變器就是一種將低壓（12或24伏或48伏）直流電轉(zhuǎn)變?yōu)?20伏交流電的電子設(shè)備。因?yàn)槲覀兺ǔＪ菍?20伏交流電整流變成直流電來使用，而逆變器的作用與此相反，因此而得名。我們處在一個(gè)"移動"的時(shí)代，移動辦公，移動通訊，移動休閑和娛樂。在移動的狀態(tài)中，人們不但需要由電池或電瓶供給的低壓直流電，同時(shí)更需要我們在日常環(huán)境中不可或缺的220伏交流電，逆變器就可以滿足我們的這種需求。

　　通常，逆變器設(shè)計(jì)主要考慮IGBTTjmax（結(jié)溫）的限制，但在混合動力車應(yīng)用中，逆變器較少處于恒定工況，加速、巡航、減速都會帶來電流、電壓的改變，由此帶來的ΔTj（結(jié)溫快速變化）將會更大程度影響IGBT的壽命，IGBT導(dǎo)通電流波動時(shí)，綁定線也會隨之?dāng)[動，對綁定線和IGBT芯片連接可靠性有較大的影響，反復(fù)的擺動可能導(dǎo)致綁定線壽命的耗盡（EOL,EndofLife），例如綁定線和IGBT芯片焊接脫落、綁定線斷裂等，直接導(dǎo)致IGBT的損壞。

　　為了模擬汽車運(yùn)行工況，針對HEV頻繁的加速、減速、巡航帶來的電流沖擊，英飛凌定義了"秒級功率循環(huán)試驗(yàn)"（powercyclingsecond,電流加熱，外部水冷冷卻），通過加速老化試驗(yàn)，模擬電氣沖擊下綁定線的焊接可靠性，英飛凌汽車級IGBT需要承受ΔTj=60k,節(jié)溫150℃，0.5s 相對于傳統(tǒng)工業(yè)應(yīng)用，混合動力車（HEV）中的IGBT工作環(huán)境惡劣，因而對IGBT長期使用的可靠性提出了更高的要求。

　　相對傳統(tǒng)工業(yè)模塊主要有以下幾點(diǎn)改進(jìn)：

　　●綁定線材料改進(jìn)；

　　●芯片結(jié)構(gòu)加強(qiáng)；

　　●綁定線連接回路優(yōu)化；

　　●優(yōu)化后的焊接工藝。

　　溫度循環(huán)

　　HEV（Hybrid-Electric Vehicle）-混合動力裝置?；旌蟿恿褪侵钙囀褂闷万?qū)動和電力驅(qū)動兩種驅(qū)動方式，優(yōu)點(diǎn)在于車輛啟動和停止時(shí)，只靠發(fā)電機(jī)帶動，不達(dá)到一定速度，發(fā)動機(jī)就不工作，因此，便能使發(fā)動機(jī)一直保持在工況狀態(tài)，動力性好，排放量很低，而且電能的來源都是發(fā)動機(jī)，只需加油即可?；旌蟿恿ζ嚨年P(guān)鍵是混合動力系統(tǒng)，它的性能直接關(guān)系到混合動力汽車整車性能。經(jīng)過十多年的發(fā)展，混合動力系統(tǒng)總成已從原來發(fā)動機(jī)與電機(jī)離散結(jié)構(gòu)向發(fā)動機(jī)電機(jī)和變速箱一體化結(jié)構(gòu)發(fā)展，即集成化混合動力總成系統(tǒng)。 混合動力總成以動力傳輸路線分類，可分為串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式等三種。

　　逆變器在HEV中，通常位于前艙靠近發(fā)動機(jī)或位于傳動機(jī)構(gòu)附近，IGBT模塊將承受較高的環(huán)境溫度和溫度變化，對IGBT模塊內(nèi)部焊接層有較大影響。

　　IGBT模塊由多層不同材料組成（見圖3），每種材料具有不同的CTE（熱膨脹系數(shù)），CTE的差別會影響功率模塊的使用壽命，當(dāng)模塊使用時(shí)，溫度的變化會在不同層間產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力而導(dǎo)致焊接脫落，我們的目標(biāo)是選用熱膨脹系數(shù)差別盡可能小的材料來進(jìn)行焊接組合。但另一方面，即使它們的熱膨脹系數(shù)十分匹配，因?yàn)椴牧媳旧淼某杀究赡軙?，或者在生產(chǎn)過程中難以被加工或加工成本太高。例如列車牽引應(yīng)用中的AlSiC基板。熱膨脹系數(shù)和襯底幾乎相同，因此有更好的熱循環(huán)特性。但對混合動力車應(yīng)用因成本過高而很難被接受。

　　英飛凌通過改進(jìn)后的Al2O3陶瓷基片技術(shù)，在不大幅度增加成本的前提下，同樣可以達(dá)到混合動力汽車中熱循環(huán)次數(shù)的要求。

　　通常IGBT模塊通過被動溫度循環(huán)（ThermalCycling）加速測試焊接可靠性，對于汽車級IGBT,英飛凌定義更嚴(yán)酷的熱沖擊試驗(yàn)（TST,ThermalShockTest），相對TC試驗(yàn)有更大的溫度變化范圍，-40℃~+125℃，1000次循環(huán)（普通工業(yè)模塊TST只需50次）。

　　按照英飛凌計(jì)算方式，汽車級IGBT模塊壽命為工業(yè)級2.5倍，為牽引級1/4,可滿足汽車全壽命使用無需更換模塊要求，又很好地平衡了成本。

　　機(jī)械結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)

　　除了對上述IGBT內(nèi)部封裝工藝的改進(jìn)，英飛凌汽車級IGBT還對IGBT外殼和接線端子進(jìn)行了增強(qiáng)，包括溫度特性和機(jī)械結(jié)構(gòu)特性的加強(qiáng)，以應(yīng)對汽車嚴(yán)酷的應(yīng)用環(huán)境，例如以下幾個(gè)方面。

　　（1）溫度特性加強(qiáng)。相較通常工業(yè)應(yīng)用，汽車內(nèi)IGBT需要承受較高的溫度沖擊，如果IGBT的外殼材料不夠堅(jiān)固，將會在溫度沖擊下斷裂損壞，英飛凌汽車級IGBT需在熱沖擊試驗(yàn)-40℃~+125℃1000次下完好無損。通過塑料材料和優(yōu)化的工藝參數(shù)，改進(jìn)后的IGBT外殼可靠性大大增強(qiáng)。

　?。?）結(jié)構(gòu)特性加強(qiáng)。在HEV中，IGBT震動大大超過普通工業(yè)模塊，外殼和端子將承受較大的機(jī)械沖擊，英飛凌汽車級IGBT可以承受超過5g的機(jī)械振動和超過30g的機(jī)械沖擊。

　　英飛凌汽車級IGBT產(chǎn)品

　　為滿足汽車級應(yīng)用，英飛凌對推出HEV專用的IGBT模塊，包括2款產(chǎn)品：

　　●HybridPACK1-400A/650VIGBT6單元，針對電機(jī)功率20kW~30kW左右的輕度混合動力汽車；

　　●HybridPACK2-800A/650VIGBT6單元，針對電機(jī)功率80kW左右的的全混合動力車。

　　主要的產(chǎn)品特點(diǎn)：

　　●6單元IGBT簡化逆變器設(shè)計(jì)；

　　●工作結(jié)溫為150℃，節(jié)溫175℃；

　　●IGBT技術(shù)；

　　●改進(jìn)后的綁定線工藝；

　　●改進(jìn)后的陶瓷基片增加焊接可靠性；

　　●6NTC;

　　●改進(jìn)后的綁定線工藝；

　　●改進(jìn)后的陶瓷基片增加焊接可靠性；

　　●直接水冷系統(tǒng)，提升模塊散熱能力。

　　隨著功率器件在汽車中越來越多地應(yīng)用，對可靠性提出了更高的要求，例如本文描述的功率循環(huán)和溫度循環(huán)特性。針對汽車應(yīng)用，英飛凌推出的汽車級IGBT模塊具有高可靠性、長壽命、適中成本的特點(diǎn)，只有在混合動力汽車應(yīng)用需要專用的功率半導(dǎo)體模塊，才能保證零部件的可靠性，直接關(guān)系著混合動力車的成功與否。