前言
根据乘联会数据,2022年6月新能源车国内零售渗透率27.4%,并且2022年6月29日欧盟对外宣布,欧盟27个成员国已经初步达成一致,欧洲将于2035年禁售燃油车。市场越来越景气,同时国内近期新发布的新能源车型也百花齐放。不论是普通消费者,还是新能源汽车产业相关从业者,也逐渐深入关注研究新能源车的一些核心部件,尤其是功率器件IGBT模块,本文科普一下电驱动中IGBT及其常用的键合线材料特性。
电驱动系统工作原理
要弄明白IGBT模块,就要先了解新能源汽车的电驱系统,先用一句话概括电驱系统如何工作:在驾驶新能源汽车时,电机控制器把动力电池放出的直流电(DC)变为交流电(AC)(这个过程即逆变),让驱动电机工作,电机将电能转换成机械能,再通过传动系统(主要是减速器)让汽车的轮子跑起来。反过来,把车轮的机械能转换存储到电池的过程就是动能回收。
电驱动系统组成
三电系统,即动力电池(简称电池)、驱动电机(简称电机)、电机控制器(简称电控),也被人们成为三大件,加起来约占新能源车总成本的70%以上,是决定整车运动性能核心的组件。
电驱系统,我们一般简单把电机、电控、减速器,合称为电驱系统。
但严格定义上讲,电驱动系统包括三大总成:驱动电机总成(将动力电池的电能转化为旋转的机械能,是输出动力的来源)、控制器总成(基于功率半导体的硬件及软件设计,对驱动电机的工作状态进行实时控制,并持续丰富其他控制功能)、传动总成(通过齿轮组降低输出转速提高输出扭矩,以保证电驱动系统持续运行在高效区间)。
图:电驱系统示意图
IGBT模块工作原理
在电控模块中,IGBT模块是逆变器的最核心部件,总结其工作原理:通过非通即断的半导体特性,不考虑过渡过程和寄生效应,我们将单个IGBT芯片看做一个理想的开关。我们在模块内部搭建起若干个IGBT芯片单元的并串联结构,当直流电通过模块时,通过不同开关组合的快速开断,来改变电流的流出方向和频率,从而输出得到我们想要的交流电。
图:IGBT逆变原理
IGBT芯片中常用键合线材料特性大全
IGBT芯片与芯片的电极端子间,IGBT芯片电极端子与二极管芯片间,芯片电极端子与绝缘衬板间一般通过引线键合技术进行电气连接。通过键合线使芯片间构成互连,形成回路。引线键合是IGBT功率器件内部实现电气互连的主要方式之一。随着制造工艺的快速发展,许多金属键合线被广泛的应用到IGBT功率模块互连技术中。目前,常用的键合线有铝线、金线、银线、铜线、铝带、铜片和铝包铜线等。表1是引线键合技术中常用材料的性能。
表1 引线键合工艺中常用键合线的材料属性
铝线键合
铝线键合是目前工业上应用最广泛的一种芯片互连技术,铝线键合技术工艺十分成熟,且价格低廉。铝线根据直径的不同分为细锡线和粗铝线两种,直径小于100um的铝线被称为细铝线,直径大于100um小于500um的铝线被称为粗铝线。
粗铝线的载流能力比细铝线强,直径为500um的粗铝线可承受直流约为23A的电流。 铝的热膨胀系数为23×10-6K-1,与硅芯片的热膨胀系数相差较大,在长时间的功率循环过程中会在封装体内积累热量,使模块温度升高,产生并积累热应力。很容易使键合引线断裂或键合接触表面脱落,最终导致模块的整体失效。在通流能力要求较高的情况下,引线的数目过于庞大,会造成键合接触表面产生裂纹。
为了提高键合引线的载流能力,铝带键合技术逐步发展起来,相比于铝线键合,铝带的横截面积大,可靠性高,不但提高了整体的通流能力,避免由于髙频工作时造成的集肤效应,而且还有效地减小了封装体的厚度。表面积较大,散热效果也比铝线要好。铝带键合由于导电性能好,寄生电感小,在频率高,电流大的工作情况下应用较为广泛,其缺点是不能大角度弯曲。
铜线键合
铜线比铝线的电阻率低,导电性能好,热导率比铝线高,散热性能好。现在功率模块大多追求小体积、高功率密度和快散热,铜线键合技术得到了广泛的应用。图3所示为铜线键合实物和铜带键合实物。
铜线的通流能力强,直径400um的铜线可以承受直流约32.5A的电流,比铝线的载流能力提高了71%。铜线键合技术的缺点也十分明显。由于芯片表面多为铝合金,铜线在键合前需要在芯片表面进行电银或者沉积,不但增加了成本,而且增加了在生产过程中复杂程度。铜材料的热膨胀系数较大,与芯片不匹配,在功率循环工作条件下,产生的热应力累积,容易使键合引线脱落或芯片表面产生裂痕。
铝包铜线键合
综合考虑铝线与铜线的优缺点,研发人员研制了一种新型键合线,在铜线外层包裹一层厚度约为25~35um的铝。铝包铜线如图4所示,由于其表面为铝材料,在键合时不需要事先对芯片表面进行化学电镀处理,提高了系统的可靠性。铝包铜线的导电性能和导热性能均比铝线要好,增加了键合引线的可靠性,提高了IGBT功率模块的使用寿命。
金线键合
金线键合技术主要应用在集成度较高的IC芯片封装中,金线的热导率较高,散热效果好,电阻率比铝线低,导电性强。金线的膨胀系数为14.2×10-6K-1,为所有常用键合金属材料中最低的,与硅芯片的匹配性较其他键合材料要好。但由于其价格过于昂贵,限制了其在半导体封装中的广泛应用。
银线键合
银键合线比金电阻率低,热导率高,故无论从导电性还是散热性都比较好,且其价格也相对较为便宜。银线的热膨胀系数较高,键合可靠性问题是需要着重考虑的。 综上所述,不同材料的键合引线,其主要应用领域不同,均有一定程度的优缺点。线键合会有较大的寄生电感,多跟线键合时会有邻近效应和电流分配不均等问题。带键合虽然可有效地避免上述问题,但工艺难度增加,相应的增加制造成本。另外由于键合材料热膨胀系数不匹配引起的热应力积累,最终会影响功率器件的可靠性问题。因此在选择键合引线时需要综合考虑工艺、功率器件可靠性和成本等方面。