IGBT模塊封裝壁壘：高可靠性

發(fā)布時(shí)間：2024-03-14作者來源：薩科微瀏覽：1265

IGBT模塊的封裝技術(shù)難度高，高可靠性設(shè)計(jì)和封裝工藝控制是其技術(shù)難點(diǎn)。IGBT模塊具有使用時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)，汽車級(jí)模塊的使用時(shí)間可達(dá)15年。因此在封裝過程中，模塊對(duì)產(chǎn)品的可靠性和質(zhì)量穩(wěn)定性要求非常高。高可靠性設(shè)計(jì)需要考慮材料匹配、高效散熱、低寄生參數(shù)、高集成度。

封裝工藝控制包括低空洞率焊接/燒結(jié)、高可靠互連、ESD防護(hù)、老化篩選等，生產(chǎn)中一個(gè)看似簡(jiǎn)單的環(huán)節(jié)往往需要長(zhǎng)時(shí)間摸索才能熟練掌握，如鋁線鍵合，表面看只需把電路用鋁線連接起來，但鍵合點(diǎn)的選擇、鍵合的力度、時(shí)間及鍵合機(jī)的參數(shù)設(shè)置、鍵合過程中應(yīng)用的夾具設(shè)計(jì)、員工操作方式等等都會(huì)影響到產(chǎn)品的質(zhì)量和成品率。

IGBT模塊封裝工藝流程

散熱效率是模塊封裝的關(guān)鍵指標(biāo)，會(huì)直接影響IGBT的[敏感詞]工作結(jié)溫，從而影響IGBT的功率密度。由于熱膨脹系數(shù)不匹配、熱機(jī)械應(yīng)力等原因，模組中不同材料的結(jié)合點(diǎn)在功率循環(huán)中容易脫落，造成模塊散熱失效。

	主流方案	先進(jìn)方案
芯片間連接方式	鋁線鍵合	鋁帶鍵合、銅線鍵合
模組散熱結(jié)構(gòu)	單面直接水冷	雙面間接水冷、雙面直接水冷
DBC板/基板材料	DBC：Al2O3	DBC：AIN、Si3N4
DBC板/基板材料	基板：Cu	基板：AISiC
芯片與DBC基板的連接方式	SnAg焊接	SnSb焊接、銀燒結(jié)、銅燒結(jié)

IGBT封裝技術(shù)的升級(jí)方向

提高模組散熱性能的方法包括改進(jìn)芯片間連接方式、改進(jìn)散熱結(jié)構(gòu)、改進(jìn)DBC板/基板材料、改進(jìn)焊接/燒結(jié)工藝等。比如英飛凌的IGBT5應(yīng)用了先進(jìn)XT鍵合技術(shù)，采用銅線代替鋁線鍵合、銀燒結(jié)工藝、高可靠性系統(tǒng)焊接，散熱效率得到大幅提升，但同時(shí)也面臨著成本增加的問題。

鋁基碳化硅散熱件

另外還有客戶壁壘：認(rèn)證周期長(zhǎng)，先發(fā)企業(yè)優(yōu)勢(shì)明顯

IGBT產(chǎn)品取得客戶認(rèn)可的時(shí)間較長(zhǎng)。由于其穩(wěn)定性、可靠性方面的高要求，客戶的認(rèn)證周期一般較長(zhǎng)，態(tài)度偏向謹(jǐn)慎，在大批量采購前需要進(jìn)行多輪測(cè)試。新進(jìn)入者很難在短期內(nèi)獲得下游客戶認(rèn)可。

	消費(fèi)類	工業(yè)級(jí)	汽車級(jí)
工況		不同行業(yè)有所不同	高溫&低溫、震動(dòng)
工作結(jié)溫	-20-70°	-25-150°C	-40-150°
濕度	低	根據(jù)工作環(huán)境確定	0-100%
失效率要求	3%	<1%	0
使用時(shí)間	1-3年	3-10年	10-15年
認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)	JEDEC標(biāo)準(zhǔn)(器件)	JEDEC標(biāo)準(zhǔn)(器件)	AEC-Q101(器件)
	IEC60747-15(模組)	IEC60747-15(模組)	AQG 324(模組)
設(shè)計(jì)要點(diǎn)	防水	防水、防腐、防潮、防霉變	增強(qiáng)散熱效率、抗震設(shè)計(jì)

不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)IGBT模塊的要求

以汽車級(jí)IGBT為例，認(rèn)證全周期可達(dá)2-3年。IGBT廠商進(jìn)入車載市場(chǎng)需要獲得AEC-Q100等車規(guī)級(jí)認(rèn)證，認(rèn)證時(shí)長(zhǎng)約12-18個(gè)月。通過后，廠商還需與車廠或Tier 1供應(yīng)商進(jìn)行車型導(dǎo)入測(cè)試驗(yàn)證，這一過程可能持續(xù)2-3年。在測(cè)試驗(yàn)證完成后，供應(yīng)商通常會(huì)先以二供或者三供的身份供貨，再逐步提高量。而在需求穩(wěn)定的情況下，車廠出于供應(yīng)鏈安全考慮，更傾向于與現(xiàn)有供應(yīng)商保持合作，新IGBT供應(yīng)商可能無法得到驗(yàn)證機(jī)會(huì)。

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