電動(dòng)汽車逆變器大功率igbt模塊新型封裝技術(shù)分析

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1、第一章緒論電動(dòng)汽車使用高能蓄電池為汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供電能，而逆變器是電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中必不可少的關(guān)鍵部件。當(dāng)使用蓄電池內(nèi)的能量驅(qū)動(dòng)汽車時(shí)，需用逆變器將直流電轉(zhuǎn)化為交流電，考慮到逆變器內(nèi)逆變模塊的內(nèi)部熱阻、模塊與冷卻介質(zhì)之間界面的熱傳輸阻力和瞬時(shí)的功率急變等情況，大功率逆變器中的電流高達(dá)幾百甚至上千安培，必會(huì)產(chǎn)生大量的熱量。由于對(duì)動(dòng)力的高要求（如加速、爬坡、大負(fù)載等），電動(dòng)汽車逆變器在散熱性能、耐高溫及耐熱沖擊性能方面面臨著非常苛刻的要求。逆變器的制造技術(shù)分為二級(jí)，第一級(jí)是高功率逆變模塊（IGBT模塊）的制造，包括IGBT芯片并聯(lián)設(shè)計(jì)、芯片與基板的連接、絕緣硅膠的灌封、逆變模塊的整

2、體封裝、逆變模塊的熱管理設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)控制模塊設(shè)計(jì)等；第二級(jí)是逆變器的集成與制造，包括逆變器的電路設(shè)計(jì)、熱管理設(shè)計(jì)及逆變器集成封裝與制造。其中，第一級(jí)是大功率逆變器的制造是最關(guān)鍵的核心技術(shù)，雖然目前大功率的IGBT芯片已經(jīng)能夠制造，并且耐高溫能力不斷提高（短時(shí)間下300℃），但傳統(tǒng)的芯片與基板的連接工藝卻不能滿足汽車對(duì)熱沖擊等可靠性的要求。由于目前通用封裝技術(shù)的限制,目前電動(dòng)汽車IGBT模塊芯片的結(jié)點(diǎn)溫度不得高于150℃，通常限制在125℃以下，如日本豐田普銳斯混合動(dòng)力汽車第二代逆變模塊采用無鉛釬料SnAgNi，但芯片結(jié)點(diǎn)溫度依然限制在125℃，滿足不了更大功率逆變模塊的性能要求。

3、由此可見，電動(dòng)汽車更大功率功率逆變模塊的技術(shù)瓶頸是芯片與基板的連接技術(shù)，也是電動(dòng)汽車的核心技術(shù)之一，這就需要從封裝材料入手來解決這個(gè)難題。因此，目前從世界范圍內(nèi)迫切需要新的具有優(yōu)良傳熱、導(dǎo)電和機(jī)械性能的封裝材料及相應(yīng)的封裝與集成技術(shù)。另一方面，隨著環(huán)境問題的日益嚴(yán)峻，世界各國(guó)對(duì)綠色電子制造的要求日益提高，歐盟已經(jīng)制定了相關(guān)的無鉛法規(guī)。對(duì)于汽車電子，由于目前各大汽車企業(yè)和功率電子制造商還未找到理想的無鉛材料，世界各國(guó)不得不對(duì)汽車電子使用含鉛材料實(shí)行豁免，但汽車電子的無鉛化是必然趨勢(shì)，歐盟要求實(shí)現(xiàn)汽車電子無鉛化。目前，世界各大汽車企業(yè)和功率電子制造商紛紛對(duì)無鉛連接材料及無鉛大功率模

4、塊制造技術(shù)進(jìn)行研發(fā)，首先開發(fā)成功的企業(yè)將會(huì)建立行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，確定技術(shù)門檻，其他企業(yè)只能跟進(jìn)。1.2國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀和技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀1.2.1功率電子模塊封裝的發(fā)展現(xiàn)狀半導(dǎo)體芯片的電子封裝可提供電子連接和隔離、熱量耗散路徑、機(jī)械支撐和2第一章緒論環(huán)境保護(hù)等功能。目前，在多芯片功率模塊中，通常先使用含鉛釬料或無鉛釬料合金將功率半導(dǎo)體芯片連接到基體上。這些連接具有電子互連和提供熱量耗散路徑的功能。然后，用粗鋁線或?qū)捊饘賻磉B接設(shè)備的高壓電極。由于釬料的釬焊溫度較低，因此常被用來進(jìn)行芯片的連接。多數(shù)釬料的共晶點(diǎn)在300℃左右。然而，釬料的導(dǎo)電和熱傳導(dǎo)性較低，因此，在循環(huán)載荷下，由于釬料本身較低的屈

5、服強(qiáng)度和變形過程中高非彈性應(yīng)變的累積，芯片連接的釬料層容易發(fā)生疲勞破壞。因?yàn)殁F料回流焊工藝包括釬料顆粒在釬劑中的熔化和固化，而釬劑中夾帶進(jìn)[1,2]的空氣和釬料表面低的潤(rùn)濕性經(jīng)常導(dǎo)致焊點(diǎn)中出現(xiàn)氣孔。在功率器件的工作[3]中，熱循環(huán)會(huì)引起氣孔長(zhǎng)大，這對(duì)芯片連接層的可靠性和熱性能是有害的。即使不考慮釬料層的性能，目前各國(guó)對(duì)鉛基釬料對(duì)健康和環(huán)境的影響日益關(guān)注，如[4]歐盟已經(jīng)出臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)限制鉛基釬料的使用。圖1-2功率電子模塊的常見封裝形式圖1-2中封裝模塊的右手邊為多芯片模塊，包括多個(gè)二極管和IGBT，左邊是揭掉的上蓋，高壓電極是用金屬絲鍵合方法，熱量只能從模塊的單側(cè)被導(dǎo)走，而芯片與D

6、BC基體之間使用無鉛釬料連接，導(dǎo)熱性能受限。1.2.2高溫芯片連接技術(shù)的研究進(jìn)展[5]針對(duì)高溫下使用的大尺寸芯片連接技術(shù)，Johnson等人廣泛地評(píng)價(jià)了幾種[6-9]硬釬料的性能和可靠性，如AuSn、AuGe和AuSi共晶合金等，徐連勇等人也對(duì)AuSn和添加少量碳納米管的SnAgCu（SnAgCu-CNT）的性能和可靠性進(jìn)行了研究。上述釬料可用典型的回流焊爐，在最高溫度高于這些釬料的熔點(diǎn)下進(jìn)行回流焊。目前，當(dāng)器件不得不在結(jié)點(diǎn)溫度超過125℃的高溫下運(yùn)行時(shí)，一般采用上述共晶合金作為封裝材料。應(yīng)用的例子是通訊系統(tǒng)中的大功率二極管激光模塊。然而，如表1-1中所示，這些釬料的熱、電傳導(dǎo)

7、性遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于純的貴重金屬（如銀）。進(jìn)一步說，表1-1列出的是室溫下的性能，在接近它們的熔點(diǎn)（稍稍超過300℃）時(shí)，其性能會(huì)更差。另外，Au基釬料是非常昂貴，使用它會(huì)導(dǎo)致過高的3第一章緒論成本。而SnAgCu-CNT中碳納米管的團(tuán)聚還有待解決。表1-1各種熱界面材料的性能比較性能制程溫度最大使用電導(dǎo)率熱導(dǎo)率剪切強(qiáng)楊氏模5-1材料(℃)溫度（℃）10（Ω?cm）（W/K?m）度(MPa)量(GPa)63Sn37Pb217＜1830.6951403296Sn3.5AgCu260＜225~0.75~7