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IGBT模塊封裝壁壘:高可靠性

發(fā)布時間:2024-03-14作者來源:薩科微瀏覽:1391



IGBT模塊的封裝技術(shù)難度高,高可靠性設(shè)計和封裝工藝控制是其技術(shù)難點。IGBT模塊具有使用時間長的特點,汽車級模塊的使用時間可達15年。因此在封裝過程中,模塊對產(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、老化篩選等,生產(chǎn)中一個看似簡單的環(huán)節(jié)往往需要長時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,但鍵合點的選擇、鍵合的力度、時間及鍵合機的參數(shù)設(shè)置、鍵合過程中應(yīng)用的夾具設(shè)計、員工操作方式等等都會影響到產(chǎn)品的質(zhì)量和成品率。

圖片

IGBT模塊封裝工藝流程

散熱效率是模塊封裝的關(guān)鍵指標,會直接影響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、熱機械應(yīng)力等原因,模組中不同材料的結(jié)合點在功率循環(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

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)的升級方向
提高模組散熱性能的方法包括改進芯片間連接方式、改進散熱結(jié)構(gòu)、改進DBC板/基板材料、改進焊接/燒結(jié)工藝等。比如英飛凌的IGBT5應(yīng)用了先進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:認證周期長,先發(fā)企業(yè)優(yōu)勢明顯 

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

消費類

工業(yè)級

汽車級

工況

不同行業(yè)有所不同

高溫&低溫、震動

工作結(jié)溫

-20-70°

-25-150°C

-40-150°

濕度

根據(jù)工作環(huán)境確定

0-100%

失效率要求

3%

<1%

0

使用時間

1-3年

3-10年

10-15年

認證標準

JEDEC標準(器件)

JEDEC標準(器件)

AEC-Q101(器件)

IEC60747-15(模組)

IEC60747-15(模組)

AQG   324(模組)

設(shè)計要點

防水

防水、防腐、防潮、防霉變

增強散熱效率、抗震設(shè)計

不同應(yīng)用場景對IGBT模塊的要求


以汽車級IGBT為例,認證全周期可達2-3年。IGBT廠商進入車載市場需要獲得AEC-Q100等車規(guī)級認證,認證時長約12-18個月。通過后,廠商還需與車廠或Tier 1供應(yīng)商進行車型導(dǎo)入測試驗證,這一過程可能持續(xù)2-3年。在測試驗證完成后,供應(yīng)商通常會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)商可能無法得到驗證機會。

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