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挑選一款合適的汽車級IGBT模塊: 解讀國內(nèi)首部車用IGBT標(biāo)準(zhǔn)

發(fā)布時間:2022-05-09 來源:李鵬,英飛凌 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】隨著新能源汽車行業(yè)的蓬勃發(fā)展,越來越多的IGBT產(chǎn)品應(yīng)運(yùn)而生。汽車零部件時常暴露在惡劣的氣候條件下,因此必須保證汽車級產(chǎn)品在高溫、高濕、高壓條件下可靠運(yùn)行。如何選擇合適的汽車級半導(dǎo)體器件,對于Tier1和OEM的產(chǎn)品可靠性及其成本至關(guān)重要。本文將從汽車行業(yè)的IGBT模塊環(huán)境試驗的要求出發(fā),介紹汽車級功率半導(dǎo)體器件IGBT模塊需要滿足的條件。


IGBT全稱為絕緣柵雙極晶體管,是電力電子行業(yè)廣泛應(yīng)用的半導(dǎo)體器件。這里講述的模塊是一種具體的封裝形式,它是IGBT芯片的載體并起到保護(hù)作用。


近些年隨著新能源汽車行業(yè)的蓬勃發(fā)展,越來越多的汽車級IGBT產(chǎn)品應(yīng)運(yùn)而生。了解汽車行業(yè)的半導(dǎo)體標(biāo)準(zhǔn),可以加深對器件特性的理解,幫助開發(fā)者選擇合適的產(chǎn)品。 


半導(dǎo)體標(biāo)準(zhǔn)

在半導(dǎo)體標(biāo)準(zhǔn)體系內(nèi),有JEDEC(Joint Electron Device Engineering Council),IEC(International Electrotechnical Commission)等標(biāo)準(zhǔn)。


汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)


在汽車行業(yè)有AEC(Automotive Electronics Council)標(biāo)準(zhǔn),車載IGBT模塊的可靠性試驗規(guī)范AQG324由ECPE(European Center for Power Electronics)發(fā)布,早期命名為LV324,由汽車廠商大眾、奧迪、寶馬、保時捷和戴姆勒編制而成。


QC/T 1136 汽車級 IGBT 標(biāo)準(zhǔn)


國內(nèi)由CATARC牽頭,中國一汽主筆編寫了《QC/T 1136-2020 電動汽車用絕緣柵雙極晶體管模塊環(huán)境試驗要求及試驗方法》,并于2021年4月1日首次發(fā)布,是國內(nèi)首部車用IGBT模塊的標(biāo)準(zhǔn),用于規(guī)范半導(dǎo)體供應(yīng)商在IGBT模塊可靠性試驗的項目及其要求,作為起草組成員之一,英飛凌參與了標(biāo)準(zhǔn)制訂。


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QC/T 1136-2020規(guī)定了電動汽車用IGBT模塊環(huán)境適應(yīng)性的要求和試驗方法。全文分為八個部分,分別是前言、范圍、規(guī)范性引用文件、術(shù)語和定義、符號和縮略語、環(huán)境適應(yīng)性要求、試驗方法和附錄。其中第五章節(jié)為環(huán)境適應(yīng)性要求(見表1)、第六章節(jié)為試驗方法。所有試驗在無特殊規(guī)定時,應(yīng)在下列環(huán)境條件下進(jìn)行:


-環(huán)境溫度:+18℃~+28℃;

-相對濕度:45%~75%;

-大氣壓力:86kPa~106kPa;

-海拔:不超過1000米。若超過1000米,按GB/T18488.1-2015有關(guān)規(guī)定進(jìn)行修正。


表1. QC/T 1136汽車級IGBT模塊環(huán)境試驗要求和參考標(biāo)注

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在表1中試驗項目可以歸納為芯片可靠性和封裝可靠性兩大類,其中:


01 芯片可靠性


與芯片可靠性相關(guān)的試驗項目有高溫阻斷試驗、高溫柵極偏置試驗、高壓高溫高濕阻斷試驗和功率循環(huán)(秒級)試驗。


表2. 芯片可靠性試驗要求

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考慮到汽車零部件時常暴露在惡劣的氣候條件下,因此必須保證汽車級產(chǎn)品在高溫、高濕、高壓條件下,避免出現(xiàn)腐蝕或氧化。其中高溫高濕阻斷試驗基于AEC-Q101要求的80V電壓下進(jìn)行,但考慮到實際運(yùn)行工況中母線電壓要遠(yuǎn)大于80V,所以設(shè)計了HV-H3TRB試驗。為通過加嚴(yán)的高溫高濕阻斷試驗,在芯片設(shè)計中需要特別關(guān)注鈍化層的設(shè)計。


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圖2. 優(yōu)化鈍化層前/后的試驗結(jié)果


PCsec試驗是為了模擬實際應(yīng)用中負(fù)載變化引起的綁定線和芯片結(jié)溫的變化,試驗結(jié)果為特定溫升條件下的壽命(循環(huán)次數(shù))。試驗過程中IGBT模塊通入秒級的負(fù)載電流,同時調(diào)節(jié)冷卻系統(tǒng)溫度使結(jié)溫達(dá)到最大允許工作溫度。在這個過程中,主要考驗綁定線與芯片的連接點以及IGBT芯片與DCB焊接層的可靠性。試驗終止條件為導(dǎo)通壓降超過初始值的5%或系統(tǒng)熱阻超過初始值的20%。


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圖3. PC(sec)測試和失效現(xiàn)象


02 封裝可靠性


與封裝可靠性相關(guān)的試驗項目有機(jī)械振動/沖擊、功率循環(huán)(PCsec/PCmin)、溫度沖擊、溫度循環(huán)(被動)、高/低溫貯存,錫焊溫度及其可焊性的試驗。


表3. 封裝可靠性試驗要求

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在機(jī)械振動方面,考慮到安裝位置對于振動等級(嚴(yán)酷度)的要求差異,因此在這里沒有給出具體的限值,需要根據(jù)在車身上的安裝位置選取振動等級(參考GB/T 28046.3-2011)。機(jī)械振動試驗會導(dǎo)致綁定線自身的開裂、綁定線與其它相關(guān)連接件的松脫以及封裝外殼的開裂等,因此IGBT模塊必須滿足相關(guān)的嚴(yán)酷度等級。


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圖4. 機(jī)械振動導(dǎo)致的綁定線失效


功率循環(huán)試驗(PCsec/PCmin)與溫度循環(huán)/沖擊試驗設(shè)置的主要差別在于發(fā)熱源,功率循環(huán)是通過負(fù)載電流使芯片發(fā)熱,而溫度循環(huán)/沖擊是由外部熱源加熱整個封裝。


1. 功率循環(huán)(PCsec):檢驗綁定線與芯片的連接點可靠性以及芯片與DCB焊接層的可靠性。

2. 功率循環(huán)(PCmin):檢驗綁定線與芯片的連接點可靠性,芯片與DCB焊接層的可靠性以及DCB與Baseplate焊接層的可靠性。

3. 溫度循環(huán)(TC):從Baseplate底部緩慢加熱整個封裝,檢驗具有不同熱膨脹系數(shù)的材料之間連接的可靠性。

4. 溫度沖擊(TST):將IGBT模塊迅速(<30s)從高溫(低溫)環(huán)境放置于低溫(高溫)環(huán)境,檢驗?zāi)K在快速溫度交變場景之下的適應(yīng)性。


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圖5. IGBT模塊的分層示意圖


高低溫貯存試驗是考量IGBT模塊在特定溫度環(huán)境下最小貯存時間。焊接溫度和可焊性是針對IGBT模塊上信號Pin提出的,對于壓接的信號Pin也要滿足可焊性的要求。


最后總結(jié)一下,QC/T 1136-2020是針對汽車級IGBT模塊環(huán)境可靠性試驗的推薦標(biāo)準(zhǔn),其中包含模塊內(nèi)芯片可靠性和封裝可靠性相關(guān)的試驗項目和要求。英飛凌在功率半導(dǎo)體行業(yè)積累了多年的實戰(zhàn)經(jīng)驗,致力于為廣大客戶提供高可靠性的汽車級產(chǎn)品。



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