【導讀】隨著(zhù)新能源汽車(chē)行業(yè)的蓬勃發(fā)展，越來(lái)越多的IGBT產(chǎn)品應運而生。汽車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)行業(yè)的IGBT模塊環(huán)境試驗的要求出發(fā)，介紹汽車(chē)級功率半導體器件IGBT模塊需要滿(mǎn)足的條件。
IGBT全稱(chēng)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(zhù)新能源汽車(chē)行業(yè)的蓬勃發(fā)展，越來(lái)越多的汽車(chē)級IGBT產(chǎn)品應運而生。了解汽車(chē)行業(yè)的半導體標準，可以加深對器件特性的理解，幫助開(kāi)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，有JEDEC(Joint Electron Device Engineering Council)，IEC(International Electrotechnical Commission)等標準。
汽車(chē)行業(yè)標準
在汽車(chē)行業(yè)有AEC(Automotive Electronics Council)標準，車(chē)載IGBT模塊的可靠性試驗規范AQG324由ECPE(European Center for Power Electronics)發(fā)布，早期命名為L(cháng)V324，由汽車(chē)廠(chǎng)商大眾、奧迪、寶馬、保時(shí)捷和戴姆勒編制而成。
QC/T 1136 汽車(chē)級 IGBT 標準
國內由CATARC牽頭，中國一汽主筆編寫(xiě)了《QC/T 1136-2020 電動(dòng)汽車(chē)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，是國內首部車(chē)用IGBT模塊的標準，用于規范半導體供應商在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規定了電動(dòng)汽車(chē)用IGBT模塊環(huán)境適應性的要求和試驗方法。全文分為八個(gè)部分，分別是前言、范圍、規范性引用文件、術(shù)語(yǔ)和定義、符號和縮略語(yǔ)、環(huán)境適應性要求、試驗方法和附錄。其中第五章節為環(huán)境適應性要求(見(jiàn)表1)、第六章節為試驗方法。所有試驗在無(wú)特殊規定時(shí)，應在下列環(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(guò)1000米。若超過(guò)1000米，按GB/T18488.1-2015有關(guān)規定進(jìn)行修正。
表1. QC/T 1136汽車(chē)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?xún)纱箢?lèi)，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(chē)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(chē)級產(chǎn)品在高溫、高濕、高壓條件下，避免出現腐蝕或氧化。其中高溫高濕阻斷試驗基于A(yíng)EC-Q101要求的80V電壓下進(jìn)行，但考慮到實(shí)際運行工況中母線(xiàn)電壓要遠大于80V，所以設計了HV-H3TRB試驗。為通過(guò)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/后的試驗結果
PCsec試驗是為了模擬實(shí)際應用中負載變化引起的綁定線(xiàn)和芯片結溫的變化，試驗結果為特定溫升條件下的壽命(循環(huán)次數)。試驗過(guò)程中IGBT模塊通入秒級的負載電流，同時(shí)調節冷卻系統溫度使結溫達到最大允許工作溫度。在這個(gè)過(guò)程中，主要考驗綁定線(xiàn)與芯片的連接點(diǎn)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(guò)初始值的5%或系統熱阻超過(guò)初始值的20%。
圖3. PC(sec)測試和失效現象
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(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。
表3. 封裝可靠性試驗要求
在機械振動(dòng)方面，考慮到安裝位置對于振動(dòng)等級(嚴酷度)的要求差異，因此在這里沒(méi)有給出具體的限值，需要根據在車(chē)身上的安裝位置選取振動(dòng)等級(參考GB/T 28046.3-2011)。機械振動(dòng)試驗會(huì )導致綁定線(xiàn)自身的開(kāi)裂、綁定線(xiàn)與其它相關(guān)連接件的松脫以及封裝外殼的開(kāi)裂等，因此IGBT模塊必須滿(mǎn)足相關(guān)的嚴酷度等級。
圖4. 機械振動(dòng)導致的綁定線(xiàn)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(guò)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(gè)封裝。
1. 功率循環(huán)(PCsec)：檢驗綁定線(xiàn)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)：檢驗綁定線(xiàn)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，檢驗具有不同熱膨脹系數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(chǎng)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(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(mǎn)足可焊性的要求。
最后總結一下，QC/T 1136-2020是針對汽車(chē)級IGBT模塊環(huán)境可靠性試驗的推薦標準，其中包含模塊內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(shí)戰經(jīng)驗，致力于為廣大客戶(hù)提供高可靠性的汽車(chē)級產(chǎn)品。
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