【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(shí)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(yàn)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(yàn)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(shí)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(dòng)汽車用絕緣柵雙極晶體管模塊環(huán)境試驗(yàn)要求及試驗(yàn)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(yàn)的項(xiàng)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。
QC/T 1136-2020規(guī)定了電動(dòng)汽車用IGBT模塊環(huán)境適應(yīng)性的要求和試驗(yàn)方法。全文分為八個(gè)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(yàn)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(yàn)方法。所有試驗(yàn)在無特殊規(guī)定時(shí)，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(yàn)要求和參考標(biāo)注
在表1中試驗(yàn)項(xiàng)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(yàn)項(xiàng)目有高溫阻斷試驗(yàn)、高溫柵極偏置試驗(yàn)、高壓高溫高濕阻斷試驗(yàn)和功率循環(huán)(秒級)試驗(yàn)。
表2. 芯片可靠性試驗(yàn)要求
考慮到汽車零部件時(shí)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(yàn)基于AEC-Q101要求的80V電壓下進(jìn)行，但考慮到實(shí)際運(yùn)行工況中母線電壓要遠(yuǎn)大于80V，所以設(shè)計(jì)了HV-H3TRB試驗(yàn)。為通過加嚴(yán)的高溫高濕阻斷試驗(yàn)，在芯片設(shè)計(jì)中需要特別關(guān)注鈍化層的設(shè)計(jì)。
圖2. 優(yōu)化鈍化層前/后的試驗(yàn)結(jié)果
PCsec試驗(yàn)是為了模擬實(shí)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(yàn)結(jié)果為特定溫升條件下的壽命(循環(huán)次數(shù))。試驗(yàn)過程中IGBT模塊通入秒級的負(fù)載電流，同時(shí)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(gè)過程中，主要考驗(yàn)綁定線與芯片的連接點(diǎn)以及IGBT芯片與DCB焊接層的可靠性。試驗(yàn)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%。
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(yàn)項(xiàng)目有機(jī)械振動(dòng)/沖擊、功率循環(huán)(PCsec/PCmin)、溫度沖擊、溫度循環(huán)(被動(dòng))、高/低溫貯存，錫焊溫度及其可焊性的試驗(yàn)。
表3. 封裝可靠性試驗(yàn)要求
在機(jī)械振動(dòng)方面，考慮到安裝位置對于振動(dòng)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(dòng)等級(參考GB/T 28046.3-2011)。機(jī)械振動(dòng)試驗(yàn)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。
圖4. 機(jī)械振動(dòng)導(dǎo)致的綁定線失效
功率循環(huán)試驗(yàn)(PCsec/PCmin)與溫度循環(huán)/沖擊試驗(yàn)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(gè)封裝。
1. 功率循環(huán)(PCsec)：檢驗(yàn)綁定線與芯片的連接點(diǎn)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(yàn)綁定線與芯片的連接點(diǎn)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(gè)封裝，檢驗(yàn)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(yàn)?zāi)K在快速溫度交變場景之下的適應(yīng)性。
圖5. IGBT模塊的分層示意圖
高低溫貯存試驗(yàn)是考量IGBT模塊在特定溫度環(huán)境下最小貯存時(shí)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(yàn)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(yàn)項(xiàng)目和要求。英飛凌在功率半導(dǎo)體行業(yè)積累了多年的實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)，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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