采用塑料封裝和IMS襯底的混合動(dòng)力汽車(chē)功率IGBT模塊

混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)(HEV)能把污染物排放量降低1/3至1/2，最新車(chē)型甚至可能把排放量降得更多。但是，HEV需要大功率的成本效益型電源開(kāi)關(guān)，到目前為止，大功率開(kāi)關(guān)產(chǎn)品因?yàn)槌杀靖?，可靠性達(dá)不到汽車(chē)應(yīng)用的期望，而無(wú)法適合汽車(chē)應(yīng)用。本文提出了采用塑料封裝的高性能、低成本IGBT設(shè)計(jì)制造功率電子模塊的創(chuàng)新工藝，這項(xiàng)技術(shù)優(yōu)化了電源開(kāi)關(guān)和電源轉(zhuǎn)換器的功率處理能力，提高了可靠性。

圖1：并行HEV的基本架構(gòu)。

混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)(HEV)把普通汽車(chē)的內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)汽車(chē)的蓄電池及電動(dòng)機(jī)組裝在一輛汽車(chē)上，為汽車(chē)提供牽引力。HEV給用戶(hù)帶來(lái)了普通汽車(chē)和電動(dòng)汽車(chē)的雙重好處：燃油行駛距離延長(zhǎng)和加油快速；節(jié)省能源和環(huán)保。與普通汽車(chē)相比，HEV的實(shí)際優(yōu)點(diǎn)是燃油效率提高，尾氣排放降低。HEV能把形成煙霧污染的污染物降低到當(dāng)前的平均水平以下，盡管如此，混合動(dòng)力汽車(chē)并不是真正的零排放，因?yàn)槠?chē)畢竟還需要內(nèi)燃機(jī)提供動(dòng)力。第一批上市的混合動(dòng)力汽車(chē)將會(huì)把導(dǎo)致全球變暖的污染物排放量降低1/3至1/2，最新車(chē)型甚至可能會(huì)把排放量降得更多。社會(huì)生態(tài)環(huán)境目標(biāo)包括提高燃油經(jīng)濟(jì)性、降低溫室效應(yīng)排放、減少?gòu)U氣排放和在城市中心推廣純電動(dòng)汽車(chē)。提高駕駛體驗(yàn)的目標(biāo)包括在紅綠燈處使用電動(dòng)機(jī)起步停車(chē)，起步或換檔時(shí)使用電動(dòng)機(jī)增大牽引力，通過(guò)電動(dòng)機(jī)為車(chē)輪提供連續(xù)的扭矩。

圖1所示是一個(gè)并行HEV的基本架構(gòu)，并行結(jié)構(gòu)是指內(nèi)燃機(jī)與電動(dòng)機(jī)的機(jī)械動(dòng)力同向合并在一起，向車(chē)輪提供扭矩。短距離行駛可以使用電動(dòng)模式，而長(zhǎng)途行駛則需要內(nèi)燃機(jī)提供動(dòng)力，當(dāng)提高汽車(chē)動(dòng)力輸出，需要最大扭矩來(lái)時(shí)，內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)機(jī)的兩個(gè)扭矩則合在一起。

HEV對(duì)安全性和可靠性的要求非常嚴(yán)格，是條件極為苛刻的安全系統(tǒng)。與此同時(shí)，HEV需要大功率的成本效益型電源開(kāi)關(guān)，但是，到目前為止，大功率開(kāi)關(guān)產(chǎn)品因?yàn)槌杀靖?，可靠性達(dá)不到汽車(chē)應(yīng)用的期望，而無(wú)法適合汽車(chē)應(yīng)用。ST提出了采用塑料封裝的高性能、低成本的IGBT設(shè)計(jì)制造功率電子模塊的創(chuàng)新工藝，這項(xiàng)技術(shù)同時(shí)優(yōu)化了電源開(kāi)關(guān)和電源轉(zhuǎn)換器的功率處理能力、可靠性和成本。

圖2：并行HEV的功能示意圖。

圖2是一個(gè)并行HEV的功能示意圖。逆變器模塊內(nèi)置驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需的主動(dòng)開(kāi)關(guān)，我們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)逆變器模塊的改進(jìn)方案。對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)來(lái)說(shuō)，電動(dòng)設(shè)備的主要目標(biāo)是成本低，可靠性高，總體積小，這個(gè)目標(biāo)的確是一個(gè)艱巨的挑戰(zhàn)。從成本和可靠性角度看，功率晶體管分立器件的標(biāo)準(zhǔn)塑料封裝成本低廉而可靠性極高，相反，大功率模塊價(jià)格昂貴，由于封裝復(fù)雜，產(chǎn)量低，這些模塊暴露出可靠性低的缺陷。對(duì)于表面貼裝器件，這兩者之間的差距更加懸殊，因此這些模塊不適合低成本應(yīng)用。另一方面，汽車(chē)應(yīng)用需要的是平均質(zhì)量水平AOL小于百萬(wàn)分之一的成本極低的電子元器件。

針對(duì)這些情況，現(xiàn)在ST采用量產(chǎn)加工設(shè)備制造出一種新型的能夠封裝大尺寸芯片(大約300 x 400 mils2)的表面貼裝塑料封裝，這項(xiàng)工藝將大幅度降低封裝成本。此外，表面貼裝還降低了產(chǎn)品組裝所需的勞動(dòng)成本，從而進(jìn)一步降低制造成本，通過(guò)改進(jìn)過(guò)程控制還可以提高可靠性。這個(gè)封裝技術(shù)是模塊化的，為汽車(chē)制造商提供了更高的獨(dú)立性，降低了對(duì)模塊供應(yīng)商的依賴(lài)性。本文介紹采用表面貼裝技術(shù)，把一個(gè)新設(shè)計(jì)的IGBT和一個(gè)高速二極管整合在一個(gè)大功率塑料封裝內(nèi)的新模塊，這個(gè)解決方案將可靠性極高的完整的雙向電流開(kāi)關(guān)組件與大批量制造技術(shù)完美地結(jié)合在一起，這個(gè)兼用IMS技術(shù)和2*8 Max247封裝實(shí)現(xiàn)的完整模塊是一個(gè)車(chē)用400A 600V電力橋單元。該項(xiàng)開(kāi)發(fā)成果屬于EC Brite Euram成立的 INMOVE(并行混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)的電子驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)集成模塊)項(xiàng)目的一部分。

圖3：600V, 400A IGBT 模塊示意圖。

400A模塊設(shè)計(jì)

在INMOVE項(xiàng)目開(kāi)發(fā)期間，根據(jù)一份有關(guān)效能、可靠性、總體積、冷卻條件和成本的調(diào)查報(bào)告提議的基本原則，我們?yōu)殡妱?dòng)推進(jìn)單元逆變器設(shè)計(jì)制造了一個(gè)600V 400A的功率模塊。這個(gè)逆變器的拓?fù)涫且粋€(gè)普通的硬開(kāi)關(guān)B6配置，由三個(gè)內(nèi)置續(xù)流二極管的半橋組成，每個(gè)半橋必須處理最高600V、400A的功率。

實(shí)現(xiàn)強(qiáng)電流開(kāi)關(guān)的有效方式是并聯(lián)幾個(gè)很小的元器件。設(shè)計(jì)能夠處理400A峰值電流的電源開(kāi)關(guān)，需要在不同的級(jí)別使用并聯(lián)技術(shù)，包括器件連接(電、熱和機(jī)械)和驅(qū)動(dòng)電路。實(shí)際制造這樣的一個(gè)開(kāi)關(guān)需要解決各種問(wèn)題，如主動(dòng)開(kāi)關(guān)特性、雜散電感均衡、電源終端連接和熱導(dǎo)。

使用并聯(lián)器件設(shè)計(jì)400A的電源開(kāi)關(guān)模塊需要確定：

1.在同一模塊內(nèi)工作的元器件的選擇標(biāo)準(zhǔn)，確保每個(gè)元器件之間的電流和損耗比例正確，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)適用于所有功能區(qū)。

2.模塊結(jié)構(gòu)(開(kāi)關(guān)、橋臂、全橋)須最大限度降低并聯(lián)拓?fù)洚a(chǎn)生的寄生效應(yīng)。

3.技術(shù)單元(電隔離、散熱條件、機(jī)械強(qiáng)度) 。

我們以前的文獻(xiàn)對(duì)這些內(nèi)容進(jìn)行了全面、詳實(shí)的分析，而且，我們根據(jù)最后的結(jié)果實(shí)現(xiàn)了功率模塊。這個(gè)功率模塊是通過(guò)并聯(lián)STGY40NC60VD器件(主要特性見(jiàn)表1)，并將其組裝在一個(gè)低成本襯底如IMS(隔離金屬襯底)上實(shí)現(xiàn)的。模塊的功能示意圖見(jiàn)圖3。

下面概括最終模塊的主要特性：

大小： 150 x 83 x 18 mm
組裝在 IMS 襯底BERQUIST THERMALCLAD， 其特性包括：底層 3.2mm 鋁 6061 T6、電介質(zhì)層 75um、電路層ED 銅 140um、熱阻 0.65℃ cm2/Watt、電容 70 pF/cm2

主動(dòng)開(kāi)關(guān)是STGY40NC60VD，它是由一個(gè) 600V、50A快速I(mǎi)GBT和一個(gè)反并聯(lián)的二極管組裝在一個(gè)新的TO Max247T M塑料封裝內(nèi)構(gòu)成的。 這些器件的選擇條件是室溫， 插入方程式1

每個(gè)100A橋臂的電源連接都使用螺紋接線端子；控制功能連接使用插入式接線端子。

連接一個(gè)串聯(lián)的獨(dú)立的10Ω電阻，以消除振動(dòng)，同時(shí)一個(gè)10KΩ電阻與兩個(gè)18V 齊納二極管背對(duì)背連接，以保護(hù)柵極。為了實(shí)現(xiàn)快速驅(qū)動(dòng)，需要在發(fā)射極建立一個(gè)獨(dú)立的Kelvin通道，同時(shí)，器件過(guò)溫保護(hù)還需要一個(gè)去飽和檢測(cè)連接。

圖4：600V、400A 功率模塊原型。

圖4所示是功率模塊最后組裝的圖片：四個(gè)600V、100A橋臂由一條螺釘固定的總線并聯(lián)在一起。

我們對(duì)功率模塊在不同的管殼溫度下的電氣特性給予了描述說(shuō)明，表2概括了在典型器件上測(cè)到的相關(guān)參數(shù)的數(shù)值。表3為熱阻參數(shù)。

這些新的400A半橋功率模塊被應(yīng)用到一個(gè)電源逆變器內(nèi)，而逆變器則控制并供給一個(gè)30KW的永磁同步直流電機(jī)，該電機(jī)用作混合動(dòng)力汽車(chē)的附加牽引力。

除汽車(chē)應(yīng)用的可靠性要求外，還需要優(yōu)化成本結(jié)構(gòu)。因此，利用電源模塊的額定峰壓實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)的額定電壓電流具有重要的意義。為了在減去某些安全極限后最大限度地使用額定電壓，需要設(shè)計(jì)一個(gè)低電感直流連接，這種方法能夠把IGBT開(kāi)關(guān)引起的瞬間電壓降低到最低限度，這個(gè)方案最后是一個(gè)緊湊的設(shè)計(jì)，由短互連線和一條平面總線(兩個(gè)并列的隔離銅層)組成，總線在緩沖電容器與所有的IGBT功率模塊之間分配電源電壓的正負(fù)電勢(shì)。逆變器的原型設(shè)計(jì)在一個(gè)鋁殼體內(nèi)，殼體底部配有一個(gè)水冷散熱系統(tǒng)。

結(jié)論

在本文中，我們介紹了一種利用標(biāo)準(zhǔn)塑料封裝器件和IMS技術(shù)實(shí)現(xiàn)功率模塊的新方法，這種方法主要用于汽車(chē)應(yīng)用，新功率模塊的主要優(yōu)點(diǎn)總結(jié)如下：

低外廓封裝設(shè)計(jì)。

提高與汽車(chē)溫度有關(guān)的可靠性(熱故障)。

滿足振動(dòng)和震動(dòng)要求。

電流額定值靈活，無(wú)需巨額的加工成本(可升級(jí)設(shè)計(jì): 50A, 100A, 150A,..)。

重新定制設(shè)計(jì)時(shí)降低成本。

初步的量產(chǎn)成本評(píng)估結(jié)果顯示，從年產(chǎn)量1萬(wàn)件新型功率模塊來(lái)看，其比普通功率模塊并沒(méi)有太大的成本優(yōu)勢(shì)，可能由于可靠性的提升還使成本略有上升，但是后續(xù)的調(diào)查特別是在對(duì)大批量生產(chǎn)進(jìn)行調(diào)查時(shí)應(yīng)該顯示成本會(huì)降低。