作為油電混合動力或純電動汽車高壓基礎設施的一部分

，IGBT逆變器功率模塊是用於控製牽引電機的電傳係統的關鍵元件。典型模塊包含1個三相全橋逆變器，其由6個IGBT開關和若幹續流二極管組成，如圖1所示。幾個IGBT器件可以用在各個開關位置，以便實現所需的額定電流和通態電阻。

如果電機的額定功率為100Kw(相當於134馬力)，那麼效率高達97%的模塊會主要以熱的形式耗散掉3kW左右的能量。如果模塊要提供令人滿意的可靠 性xing，那na麼me有you效xiao去qu除chu該gai熱re量liang是shi關guan鍵jian。現xian代dai內nei燃ran機ji汽qi車che已yi經jing設she立li了le很hen高gao的de可ke靠kao性xing標biao準zhun
，而er電dian動dong汽qi車che必bi須xu達da到dao這zhe些xie標biao準zhun方fang可ke獲huo得de廣guang大da消xiao費fei者zhe的de認ren可ke。

提高模塊可靠性

提高模塊可靠性和額定功率的措施包括采用裸片IGBT和優化模塊結構，進而將導致焦耳加熱的寄生電損耗降至最低水平
，在IGBT晶圓和模塊基板之間實現最低的熱阻。

與yu第di一yi代dai油you電dian混hun合he動dong力li汽qi車che采cai用yong的de功gong率lv模mo塊kuai相xiang比bi
，如ru今jin模mo塊kuai的de典dian型xing熱re疊die加jia被bei大da大da簡jian化hua，從cong而er將jiang晶jing圓yuan和he模mo塊kuai基ji板ban之zhi間jian的de熱re阻zu降jiang至zhi了le最zui低di水shui平ping。基ji板ban可ke能neng帶dai有you大da量liang散san熱re片pian 以實現空氣冷卻，或者更常見的則是利用水/乙二醇混合物進行液體冷卻。典型現代IGBT功率模塊的熱疊加和電觸頭如圖2所示。

至於IGBT，適用於現代大功率應用的器件需要高達300A(或更高)的電流處理能力。這導致晶圓尺寸大至100mm2(或更高)。此外，最新一代器件采用超薄晶圓技術製造而成
，晶圓厚度為100?m(或更低)。這zhe樣yang就jiu將jiang電dian路lu徑jing長chang度du降jiang至zhi了le最zui低di水shui平ping，從cong而er進jin一yi步bu提ti升sheng了le通tong態tai性xing能neng
，還hai降jiang低di了le載zai流liu電dian荷he
，有you助zhu於yu提ti高gao開kai關guan效xiao率lv。超chao薄bo晶jing圓yuan技ji術shu還hai增zeng強qiang了le散san熱re。

然而
，超薄晶圓為模塊製造商提出了艱巨的生產挑戰，最終會導致產線良率降低。模塊通常采用裸IGBT晶圓裝配
，從而抵消了任何二次封裝相關的無晶圓封裝電 阻(DFPR)和封裝熱阻(RTHj-c)，進而提高了能源效率和熱性能。在被從載流中彈射出來時或者在後續處理過程中
，大型超薄芯圓可能會折斷。[page]

可能要使用特殊處理設備，但是當模塊暴露在熱循環中時
，晶圓尺寸大可能會直接影響可靠性。晶圓尺寸大會導致晶圓與模塊基底之間CTE嚴重失配，從而在焊接 的管芯連接接頭或晶圓上產生較大的應力。多次熱循環之後，管芯連接接頭會退化，從而導致IGBT晶圓和基底之間的熱阻增加。這會造成過熱，進而降低性能， 最終導致模塊過早損壞。

製造商可以通過將晶圓焊接到直接鍵合銅(DBC)基底上來降低材料之間CTE失配對結構的影響。這類裝配用鋁焊線(見圖2)將IGBT發射極連接到模塊終 端上，通常會使用幾根直徑介於0.25mm(0.01英寸)和0.5mm(0.02英寸)之間的粗導線。可靠性測試表明，焊線和前敷金屬之間的接口很容易 疲勞，因此限製了模塊的使用壽命。

在最終測試時，模塊製造商遇到了另一個挑戰------生sheng產chan率lv。他ta們men在zai封feng裝zhuang前qian通tong常chang無wu法fa在zai全quan工gong作zuo電dian流liu下xia測ce試shi功gong率lv半ban導dao體ti芯xin片pian。因yin此ci
，某mou些xie與yu裸luo片pian有you關guan的de故gu障zhang可ke能neng隻zhi有you在zai已yi裝zhuang配pei模mo塊kuai的de最zui終zhong測ce試shi期qi間jian才cai能neng發fa現xian
，這zhe就jiu降jiang低di了le良liang率lv。

同一封裝內的裸片性能

國際整流器公司(以下簡稱“IR”)的COOLiR2Die是一項新型封裝技術，旨在彌補傳統裸片裝配的不足。這種封裝技術中的晶圓直接附於CTE與矽類 似的DBC基ji底di之zhi上shang。該gai基ji底di為wei晶jing圓yuan提ti供gong機ji械xie支zhi持chi，消xiao除chu了le對dui焊han線xian的de需xu求qiu，還hai實shi現xian了le雙shuang麵mian冷leng卻que，進jin而er提ti升sheng了le熱re性xing能neng。器qi件jian采cai用yong卷juan帶dai封feng裝zhuang，可ke利li用yong傳chuan統tongSMT設備進行 放置。

jingyuandianjiduyouyin，shiqiyiyuhanjie。zhejiushitayudulvhuolvhejindechuantongsihanmokuaishiyongdexinpianzhijiandeguanjianqubie。xiaochuhanxianchutigaolekekaoxing，haitishengledianxingneng。zhoubianjidianjitudianhejingyuanbeimiandedianjizhijiandedianzuyuewei48??。利用6根直徑為0.5mm的鋁焊線實現的典型連接的總電阻超過140??。

利用這種封裝技術，IGBT可實現倒裝晶圓或晶圓朝上配置。倒裝晶圓配置如圖3所示
，由IGBT和二極管構成，二者均翻轉過來，所以IGBT的柵極和發射 極以及二極管的陽極都附在DBC基底上。管芯連接材料可以是高鉛焊料，也可以是麵向無鉛應用的燒結銀材料。IGBT的發射極和柵極以及二極管的陽極通過 DBC基底的導電線與周邊觸點相連。

在晶圓朝上配置(如圖4所示)中，發射極和柵極都正麵朝上(因此稱為“晶圓朝上”)，而IGBT集電極和二極管的陰極則與周邊觸點相連。

借助於倒裝晶圓和晶圓朝上配置，模塊製造商可以利用模塊DBC基底的銅絲(見圖5)來連接倒裝晶圓IGBT的發射極和晶圓朝上器件的集電極，進而有效地構建半橋或全橋電路。

COOLiR2Die DBC基底有幾種功能。除了為超薄晶圓提供機械支持，它還在晶圓表麵的電極和封裝的周邊終端之間實現了低電阻/低電感互 連，保證晶圓與封裝背麵之間電絕緣。DBC的電介質芯可以是氧化鋁(Al2O3)、氮化鋁(AlN)或氮化矽(Si3N4)。材料的選擇及厚度取決於成本 以及熱和可靠性要求。Al2O3是一種成本較低的電介質，CTE低且接近於矽，而AlN和Si3N4的CTE與矽更接近
，但成本較高。[page]

在晶圓附於DBC基底上時，IGBT和二極管電機之間的大接觸麵積以及DBC上的導電線有助於在晶圓和封裝正麵之間提供低熱阻通道。由於封裝的頂部是電絕 緣的，所以模塊製造商可以借此機會利用如圖6所示之布局進一步提升熱性能。在該圖中，模塊蓋用作散熱器，其通過熱界麵材料(TIM)與封裝正麵實現熱耦合。


根據晶圓尺寸，COOLiR2Die器件的生產工藝包括高達500A(或更高
，如果需要的話)的大電流測試。這能夠幫助那些需要將多個晶片裝配到逆變器基圓上的用戶提高模塊產量。

為了構建模塊，傳統SMT置放機可以用來放置元件，周邊終端和IGBT與二極管電極朝下，這樣就能夠將其焊接到模塊DBC基底上去。然後進行回流焊。對於那些需要3-5%或更低的焊接空洞的大功率應用而言

，建議采用真空回流焊。

結論

油電混合動力和電動汽車技術不斷發展，旨在提高效率、功率和可靠性
，而這項新技術有助於消除焊線，提高裝配率，簡化生產逆變器功率模塊所需的工藝和設備。