【導讀】隨著新能源汽車行業(yè)的蓬勃發(fā)展，越來越多的IGBT產(chǎn)品應運而生。汽車零部件時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、高壓條件下可靠運行。如何選擇合適的汽車級半導體器件，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)境試驗的要求出發(fā)，介紹汽車級功率半導體器件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)廣泛應用的半導體器件。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)品應運而生。了解汽車行業(yè)的半導體標準，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。
半導體標準
在半導體標準體系內(nèi)，有JEDEC(Joint Electron Device Engineering Council)，IEC(International Electrotechnical Commission)等標準。
汽車行業(yè)標準
在汽車行業(yè)有AEC(Automotive Electronics Council)標準，車載IGBT模塊的可靠性試驗規(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、保時捷和戴姆勒編制而成。
QC/T 1136 汽車級 IGBT 標準
國內(nèi)由CATARC牽頭，中國一汽主筆編寫了《QC/T 1136-2020 電動汽車用絕緣柵雙極晶體管模塊環(huán)境試驗要求及試驗方法》，并于2021年4月1日首次發(fā)布，是國內(nèi)首部車用IGBT模塊的標準，用于規(guī)范半導體供應商在IGBT模塊可靠性試驗的項目及其要求，作為起草組成員之一，英飛凌參與了標準制訂。
QC/T 1136-2020規(guī)定了電動汽車用IGBT模塊環(huán)境適應性的要求和試驗方法。全文分為八個部分，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)境適應性要求、試驗方法和附錄。其中第五章節(jié)為環(huán)境適應性要求(見表1)、第六章節(jié)為試驗方法。所有試驗在無特殊規(guī)定時，應在下列環(huán)境條件下進行：
-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)定進行修正。
表1. QC/T 1136汽車級IGBT模塊環(huán)境試驗要求和參考標注
在表1中試驗項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)的試驗項目有高溫阻斷試驗、高溫柵極偏置試驗、高壓高溫高濕阻斷試驗和功率循環(huán)(秒級)試驗。
表2. 芯片可靠性試驗要求
考慮到汽車零部件時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基于AEC-Q101要求的80V電壓下進行，但考慮到實際運行工況中母線電壓要遠大于80V，所以設計了HV-H3TRB試驗。為通過加嚴的高溫高濕阻斷試驗，在芯片設計中需要特別關(guān)注鈍化層的設計。
圖2. 優(yōu)化鈍化層前/后的試驗結(jié)果
PCsec試驗是為了模擬實際應用中負載變化引起的綁定線和芯片結(jié)溫的變化，試驗結(jié)果為特定溫升條件下的壽命(循環(huán)次數(shù))。試驗過程中IGBT模塊通入秒級的負載電流，同時調(diào)節(jié)冷卻系統(tǒng)溫度使結(jié)溫達到最大允許工作溫度。在這個過程中，主要考驗綁定線與芯片的連接點以及IGBT芯片與DCB焊接層的可靠性。試驗終止條件為導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)的試驗項目有機械振動/沖擊、功率循環(huán)(PCsec/PCmin)、溫度沖擊、溫度循環(huán)(被動)、高/低溫貯存，錫焊溫度及其可焊性的試驗。
表3. 封裝可靠性試驗要求
在機械振動方面，考慮到安裝位置對于振動等級(嚴酷度)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等級(參考GB/T 28046.3-2011)。機械振動試驗會導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)的嚴酷度等級。
圖4. 機械振動導致的綁定線失效
功率循環(huán)試驗(PCsec/PCmin)與溫度循環(huán)/沖擊試驗設置的主要差別在于發(fā)熱源，功率循環(huán)是通過負載電流使芯片發(fā)熱，而溫度循環(huán)/沖擊是由外部熱源加熱整個封裝。
1. 功率循環(huán)(PCsec)：檢驗綁定線與芯片的連接點可靠性以及芯片與DCB焊接層的可靠性。
2. 功率循環(huán)(PCmin)：檢驗綁定線與芯片的連接點可靠性，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底部緩慢加熱整個封裝，檢驗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，檢驗模塊在快速溫度交變場景之下的適應性。
圖5. IGBT模塊的分層示意圖
高低溫貯存試驗是考量IGBT模塊在特定溫度環(huán)境下最小貯存時間。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)境可靠性試驗的推薦標準，其中包含模塊內(nèi)芯片可靠性和封裝可靠性相關(guān)的試驗項目和要求。英飛凌在功率半導體行業(yè)積累了多年的實戰(zhàn)經(jīng)驗，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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