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新能源汽車，一個越來越引人關注的話題，節(jié)能，環(huán)保估計是其產(chǎn)生和流行的最重要的因素，全球的電動汽車銷量相對于傳統(tǒng)燃油車的比例越來越大，而中國依然成為全球增長速度最快的國家，2016 年我國的電動汽車產(chǎn)量超 50 萬輛，預計 2020 年電動汽車的生產(chǎn)能量會達到 200 萬量，保有量可能會有 500 萬輛，約占全球電動汽車的四至五成。
而電動汽車飛速發(fā)展，也帶動了其所需配套零件的發(fā)展，而其中最重要的核心部件，想必大家也猜到了，我們最關心的大功率開關器件——IGBT 模塊。相對于電動汽車這樣的產(chǎn)品，電壓等級、功率等級、極限工況、可靠性、使用壽命和成本等都對其使用的 IGBT 模塊提出了很高的要求，同時也是很大的挑戰(zhàn)，各大模塊廠商也紛紛推出自己的汽車級 IGBT 模塊。今天我們就來聊聊主要廠家的 IGBT 模塊技術和相關情況。
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電動汽車級 IGBT 特點
相對于工業(yè) IGBT 模塊，電動汽車對于驅動系統(tǒng)的功率密度、驅動效率等具有更高的要求，也存在著相應的難點：
①車輛運行時，特別實在擁堵的路況時的頻繁啟停，此時控制器的 IGBT 模塊工作電流會相應的頻繁升降，從而導致 IGBT 的結溫快速變化，對于 IGBT 模塊的壽命是個很大的考驗；
②采用永磁同步電機的電動汽車啟動、駐車時，電機工作在近似堵轉工況，此時的 IGBT 模塊持續(xù)承受著大電流，從而會造成模塊的局部過熱，這對散熱系統(tǒng)的設計帶來了挑戰(zhàn)，所以汽車一般都是水冷(單面或者雙面)。
③由于車況的不確定性，汽車級 IGBT 模塊在車輛行駛中會受到較大的震動和沖擊，這對于 IGBT 模塊的各引線端子的機械強度提出了較高的要求；
④車體的大小限制，對于控制器的大小以及 IGBT 模塊的功率密度提出了更高的要求。
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電動汽車 IGBT 芯片和模塊的現(xiàn)狀研究
IGBT 芯片技術
針對上面的對汽車級模塊的特殊要求，IGBT 芯片正朝著小型化、低功耗、耐高溫、更高安全性以及智能化的方向發(fā)展。目前最受流行的還屬國外的先進企業(yè)，因為國內(nèi)汽車級 IGBT 芯片技術起步較晚，同時受限于基礎工藝和生產(chǎn)條件，技術發(fā)展較慢，雖然目前也有國產(chǎn)汽車級芯片，但是相對市場份額不是很大，我們還是聊聊國外芯片技術，英飛凌、富士、三菱等均有開發(fā)新一代的電動汽車級 IGBT 芯片。下面兩張圖給出 了英飛凌和富士 IGBT 芯片的技術優(yōu)化路徑：
FUJI
下表對比了英飛凌、富士、三菱三家公司新一代 IGBT 產(chǎn)品的工藝路線和關鍵指標：
汽車級 IGBT 模塊封裝技術
對于 IGBT 芯片，可能被上面三家占了很大的份額，但是購買芯片自主封裝也是現(xiàn)行的一種商業(yè)模式，比如說丹佛斯 Danfoss，就是一家專注封裝技術的公司，目前國內(nèi)汽車模塊也能看到 Danfoss 的模塊。
IGBT 的封裝技術是實現(xiàn)電機控制器高溫運行、高可靠性、高功率密度的關鍵環(huán)節(jié)，涉及到芯片表面互連、貼片互連、導電端子引出互連等相關工藝。目前 IGBT 模塊封裝的研究主要集中在新型互連材料、互連方式等相關工藝參數(shù)優(yōu)化等，主要是為了增強模塊的散熱能力、減小體積，同時提高可靠性。
①芯片表面互連技術
IGBT 模塊內(nèi)部常用引線鍵合的方法將芯片與芯片、芯片與絕緣襯板表面金屬化層、半導體絕緣襯板之間以及絕緣襯板與功率端子之間進行電氣互連。
常用的鍵合線有鋁線和銅線兩種。
其中鋁線鍵合工藝成熟、成本較低，但是鋁線鍵合的電氣、熱力學性能較差，膨脹系數(shù)失配大，影響 IGBT 使用壽命。而銅線鍵合工藝具有電氣、熱力學性能優(yōu)良等優(yōu)點，可靠性高，適用于高功率密度、高效散熱的模塊。但是銅鍵合工藝的難點是需要對芯片表面進行銅金屬化處理，同時需要更高的超聲能量，這有可能傷及 IGBT 芯片。
引線鍵合技術相對工藝簡單、成本低廉；但也存在缺點，如多根引線并聯(lián)的鄰近效應會引起電流分布不均，寄生電感較大會造成較高的關斷過電壓，金屬引線和半導體芯片之間熱膨脹失配會產(chǎn)生熱應力，從而影響使用壽命等。為了規(guī)避這些缺點，研究人員開發(fā)出其他新型芯片表面互聯(lián)技術:直接電極引出和柔性 PCB 技術。
②貼片互連技術
貼片互連是指將芯片下表面與絕緣襯板焊接在一起的互連工藝。軟釬焊接是常用的貼片焊接工藝，采用焊膏或焊片作為焊料、真空回流焊接工藝，優(yōu)點是工藝簡單、成本較低。采用軟釬焊工藝的焊接層熔點在 220 ℃左右，而混合動力電動汽車中 IGBT 芯片可能工作在 175 ℃，焊接層熱負荷過重、模塊可靠性低。為此業(yè)界開發(fā)出了低溫銀燒結貼片互聯(lián)工藝，焊料采用納米或微米級銀顆粒。采用這種工藝的焊接層具有高熱導率、高電導率、高可靠性的優(yōu)點，但是工藝實施過程中需要施加高溫、高壓，材料成本較高，且對設備與工裝均提出了較高要求。
③端子引出技術
電動汽車用 IGBT 模塊的功率導電端子需要承載數(shù)百安培的大電流，對電導率和熱導率有較高的要求，車載環(huán)境中還要承受一定的振動和沖擊力，機械強度要求高。因此，采用傳統(tǒng)焊接工藝的導電端子已難以滿足其大電流沖擊、熱循環(huán)作用和機械振動等嚴苛工況的要求。
金屬超聲鍵合是一種適合電動汽車 IGBT 導電端子焊接的工藝。它采用高頻超聲能量使金屬原子在兩種材料界面間相互擴散，最終形成一種高強度鍵合界面。該工藝簡單快捷，接觸電阻較低，鍵合強度較高。
④散熱設計
早期電動汽車用 IGBT 通常采用帶銅基板的三明治結構，芯片工作中產(chǎn)生的熱量流經(jīng)各導熱層，最終經(jīng)導熱硅脂傳遞給水冷系統(tǒng)。這種結構工藝簡單成熟，但是熱阻大、散熱性能差、結構笨重。目前散熱系統(tǒng)的設計采用平面互連和雙面冷卻技術，使得散熱效果大幅提升。
小結：
國際主流的電動汽車 IGBT 模塊生產(chǎn)廠家，如英飛凌、富士電機、三菱電機、賽米控、博世、電裝等，均成功推出了系列化產(chǎn)品，并在電動汽車上得到較為廣泛的應用。
當然，電動汽車雖然已有多種車型量產(chǎn)上市，但是對于它的提升和優(yōu)化空間還很大。不僅僅是我們說的 IGBT 模塊，還有其他關鍵元器件的發(fā)展，比如電池(里程和充電速度)，而且外在設備也很重要，比如充電問題。
所以電動汽車還會不斷發(fā)展，現(xiàn)在看來，也僅僅是前中期。
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