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功率技術/新能源  

新型電源封裝提升電動汽車逆變器模組性能

上網時間: 2014年04月08日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:IGBT  逆變器  電動汽車  超薄晶圓  COOLiR2Die 

作者:Mark Pavier,國際整流器公司設計與整合總監

油電混合動力汽車(HEV)和電動汽車(EV)逐漸被市場接受,這為電子產業創造了諸多商機。雖然近年來電子元件在典型汽車物料清單中所佔的比例逐漸提高,但是採用電力牽引可望成為塑造現代汽車成為電氣裝置的一大進展。

作為油電混合動力或純電動汽車高壓基礎設備的一部份,IGBT轉換器功率模組是用於控制牽引馬達中傳動系統的關鍵元件。典型模組包含1個三相全橋轉換器,由6個IGBT開關和若干續流二極體組成,如圖1所示。幾個IGBT元件可用在各個開關位置,以便實現所需的額定電流和導通電阻。

圖1:典型HEV/EV功率模組的三相轉換器。
圖1:典型HEV/EV功率模組的三相轉換器。

如果馬達的額定功率為100Kw(相當於134馬力),那麼效率高達97%的模組會以熱的形式耗散掉3kW左右的能量。如果模組要提供令人滿意的可靠性,那麼有效去除該熱量則是一大關鍵。現代內燃機汽車已經建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接受。

提高模組可靠性

提高模組可靠性和額定功率的措施包括採用晶片IGBT和最佳化模組結構,進而將導致焦耳加熱的寄生電損耗降至最低水準,在IGBT晶圓和模組基板之間實現最低的熱阻。

與第一代油電混合動力汽車採用的功率模組相較,如今的模組典型熱疊加被大幅簡化,因而將晶圓和模組基板之間的熱阻降到了最低程度。基板可能具有大量散熱片以實現空氣冷卻,或者更常見的是利用水/乙二醇混合物進行液體冷卻。典型現代IGBT功率模組的熱疊加和電觸點如圖2所示。

圖2:典型IGBT功率模組的構造。
圖2:典型IGBT功率模組的構造。

至於IGBT,適用於現代高功率應用中需要高達300A(或更高)的電流處理能力的元件。這導致晶圓尺寸大至100mm2(或更高)。此外,最新一代元件採用超薄晶圓技術製造而成,晶圓厚度為100um(或更低),從而使電路路徑長度降至最低,不僅進一步提升了導通性能,還降低了電流負載,有助於提高開關效率。同時,超薄晶圓技術還增強了散熱。

然而,超薄晶圓為模組製造商帶來了艱鉅的生產挑戰,最終可能導致產線良率降低。模組通常採用IGBT裸晶裝配,因而抵銷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。在經由負載電流彈射出來或在後續處理過程中,大型超薄晶圓可能會折斷。

雖然有時必須使用特殊處理設備,但當模組暴露在熱循環時,晶圓尺寸較大可能直接影響可靠性。晶圓尺寸較大會導致晶圓與模組基底之間CTE嚴重錯位,因而在焊接的管芯連接器或晶圓上產生較大的應力。經過多次熱循環之後,管芯連接器逐漸退化,因而導致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,最終導致模組過早損壞。

製造商可以透過將晶圓焊接到直接鍵合銅(DBC)基底上來降低材料之間CTE不匹配對結構的影響。這類裝配用鋁焊線(見圖2)將IGBT發射極連接到模組終端上,通常會使用幾根直徑介於0.25mm(0.01英吋)和0.5mm(0.02英吋)之間的粗導線。可靠性測試顯示,焊線和熔敷金屬之間的介面很容易疲勞,因此限制了模組的使用壽命。

在最終測試時,模組製造商遇到了另一個挑戰──生產良率。他們在封裝前通常無法在全工作電流下測試功率半導體晶片。因此,某些與晶片有關的故障情形可能只在已裝配模組的最終測試期間才能發現,因而降低了良率。

同一封裝內的晶片性能

國際整流器公司(IR)的COOLiR2DIE是一項新型封裝技術,旨在彌補傳統晶片裝配的不足。這種封裝技術的晶圓直接附加在CTE與矽晶類似的DBC基底上。該基底為晶圓提供機械支援,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。元件採用捲帶封裝,可利用傳統SMT設備進行放置。

晶圓電極鍍有銀,使其易於焊接。這就是它與鍍鋁或鋁合金的傳統絲焊模組使用的晶片之間的關鍵區別。消除焊線除了提高可靠性,還提升了電氣性能。週邊集電極凸點和晶圓背面的電極之間電阻約為48uΩ。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140uΩ。

利用這種封裝技術,IGBT可實現覆晶晶圓或使晶圓朝上配置。覆晶晶圓配置如圖3所示,由IGBT和二極體構成,二者均翻轉過來,使IGBT的閘極與發射極以及二極體的陽極都附在DBC基底上。管芯連接材料可採用高鉛焊料,也可以是針對無鉛應用的燒結銀材料。IGBT的發射極和閘極以及二極體的陽極通過DBC基底的導線與週邊觸點相連。

圖3:覆晶晶圓裝配。
圖3:覆晶晶圓裝配。

在晶圓朝上的配置(如圖4所示)中,發射極和閘極都正面朝上(因此稱為‘晶圓朝上’),而IGBT集電極和二極體的陰極則與週邊觸點相連。

圖4:晶圓朝上配置。
圖4:晶圓朝上配置。

透過採用覆晶晶圓和晶圓朝上的配置,模組製造商可以利用模組DBC基底的銅絲(見圖5)來連接覆晶晶圓IGBT的發射極和晶圓朝上元件的集電極,進而有效地建構半橋或全橋電路。

圖5:半橋模組內的覆晶晶圓和晶圓朝上IGBT。
圖5:半橋模組內的覆晶晶圓和晶圓朝上IGBT。

COOLiR2DIE DBC基底有幾種功能。除了為超薄晶圓提供機械支援以外,它還在晶圓表面的電極和封裝的週邊終端之間實現了低電阻/低電感互連,確保晶圓與封裝背面之間的電絕緣特性。DBC的電介質芯可以採用氧化鋁(Al2O3)、氮化鋁(AlN)或氮化矽(Si3N4),材料的選擇與厚度取決於成本、熱以及可靠性的要求。Al2O3是一種成本較低的電介質,CTE低且接近於矽晶,AlN和Si3N4的CTE更接近於矽晶,但成本較高。

在晶圓附於DBC基底上時,IGBT和二極體馬達之間的較大接觸面積以及DBC上的導線有助於在晶圓和封裝正面之間提供低熱阻通道。由於封裝頂部是電絕緣的,所以模組製造商可以藉機會利用如圖6所示的佈局進一步提升熱性能。在該圖中,模組上蓋作為散熱片,透過熱介面材料(TIM)與封裝正面實現熱耦合。

圖6:利用絕緣封裝正面增強冷卻效果。
圖6:利用絕緣封裝正面增強冷卻效果。

根據晶圓尺寸,COOLiR2DIE元件的生產製程包括高達500A(或更高,如果需要的話)的大電流測試。這能夠幫助那些需要將多個晶片裝配到轉換器基底上的用戶提高模組產量。

為了建構模組,傳統SMT置放機可用來放置元件,週邊終端和IGBT與二極體電極朝下,這樣就能夠將其焊接到模組DBC基底上。然後進行回流焊。而對於需要3-5%或更低焊接空洞的高功率應用而言,建議採用真空回流焊。

結語

油電混合動力和電動汽車技術不斷發展,旨在提高效率、功率和可靠性,而這項新技術有助於消除焊線,提高裝配率,簡化生產轉換器功率模組所需的製程和設備。





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