新型電源封裝提升電動汽車關鍵逆變器模塊性能.doc

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1、新型電源封裝提升電動汽車關鍵逆變器模塊性能關鍵字：逆變器模塊電動汽車超薄晶圓油電混合動力汽車和電動汽車逐漸獲得大家的認可，這為電子行業(yè)創(chuàng)造了大量機遇。雖然近年來電子元件在典型汽車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代汽車塑造成一種電氣裝置的顯著進步。作為油電混合動力或純電動汽車高壓基礎設施的一部分，IGBT逆變器功率模塊是用于控制牽引電機的電傳系統(tǒng)的關鍵元件。典型模塊包含1個三相全橋逆變器，其由6個IGBT開關和若干續(xù)流二極管組成，如圖1所示。幾個IGBT器件可以用在各個開關位置，以便實現所

2、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。如果電機的額定功率為100Kw(相當于134馬力)，那么效率高達97%的模塊會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鍵?，F代內燃機汽車已經設立了很高的可靠性標準，而電動汽車必須達到這些標準方可獲得廣大消費者的認可。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)化模塊結構，進而將導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現最低的熱阻。與第一代油

3、電混合動力汽車采用的功率模塊相比，如今模塊的典型熱疊加被大大簡化，從而將晶圓和模塊基板之間的熱阻降至了最低水平?；蹇赡軒в写罅可崞詫崿F空氣冷卻，或者更常見的則是利用水/乙二醇混合物進行液體冷卻。典型現代IGBT功率模塊的熱疊加和電觸頭如圖2所示。至于IGBT，適用于現代大功率應用的器件需要高達300A(或更高)的電流處理能力。這導致晶圓尺寸大至100mm2(或更高)。此外，最新一代器件采用超薄晶圓技術制造而成，晶圓厚度為100?m(或更低)。這樣就將電路徑長度降至了最低水平，從而進一步提升了通態(tài)性能，還

4、降低了載流電荷，有助于提高開關效率。超薄晶圓技術還增強了散熱。然而，超薄晶圓為模塊制造商提出了艱巨的生產挑戰(zhàn)，最終會導致產線良率降低。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的無晶圓封裝電阻(DFPR)和封裝熱阻(RTHj-c)，進而提高了能源效率和熱性能。在被從載流中彈射出來時或者在后續(xù)處理過程中，大型超薄芯圓可能會折斷?？赡芤褂锰厥馓幚碓O備，但是當模塊暴露在熱循環(huán)中時，晶圓尺寸大可能會直接影響可靠性。晶圓尺寸大會導致晶圓與模塊基底之間CTE嚴重失配，從而在焊接的管芯連接接頭或晶圓上產生

5、較大的應力。多次熱循環(huán)之后，管芯連接接頭會退化，從而導致IGBT晶圓和基底之間的熱阻增加。這會造成過熱，進而降低性能，最終導致模塊過早損壞。制造商可以通過將晶圓焊接到直接鍵合銅(DBC)基底上來降低材料之間CTE失配對結構的影響。這類裝配用鋁焊線(見圖2)將IGBT發(fā)射極連接到模塊終端上，通常會使用幾根直徑介于0.25mm(0.01英寸)和0.5mm(0.02英寸)之間的粗導線?？煽啃詼y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。在最終測試時，模塊制造商遇到了另一個挑戰(zhàn)------生

6、產率。他們在封裝前通常無法在全工作電流下測試功率半導體芯片。因此，某些與裸片有關的故障可能只有在已裝配模塊的最終測試期間才能發(fā)現，這就降低了良同一封裝內的裸片性能國際整流器公司(以下簡稱“IR”)的COOLiR2Die是一項新型封裝技術，旨在彌補傳統(tǒng)裸片裝配的不足。這種封裝技術中的晶圓直接附于CTE與硅類似的DBC基底之上。該基底為晶圓提供機械支持，消除了對焊線的需求，還實現了雙面冷卻，進而提升了熱性能。器件采用卷帶封裝，可利用傳統(tǒng)SMT設備進行放置。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)

7、絲焊模塊使用的芯片之間的關鍵區(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的鋁焊線實現的典型連接的總電阻超過140??。利用這種封裝技術，IGBT可實現倒裝晶圓或晶圓朝上配置。倒裝晶圓配置如圖3所示，由IGBT和二極管構成，二者均翻轉過來，所以IGBT的柵極和發(fā)射極以及二極管的陽極都附在DBC基底上。管芯連接材料可以是高鉛焊料，也可以是面向無鉛應用的燒結銀材料。IGBT的發(fā)射極和柵極以及二極管的陽極通過DBC基底的導電線與周邊觸點相

8、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(見圖5)來連接倒裝晶圓IGBT的發(fā)射極和晶圓朝上器件的集電極，進而有效地構建半橋或全橋電路。圖5：半橋模塊內的倒裝晶圓和晶圓朝上IGBT。COOLiR2DieD