汽車電控IGBT模塊的工作原理

IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）模塊在汽車電控系統(tǒng)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。在電驅(qū)系統(tǒng)中，當(dāng)駕駛新能源汽車時(shí)，電機(jī)控制器將動(dòng)力電池放出的直流電（DC）轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姡ˋC），這個(gè)過程被稱為逆變，從而讓驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作，電機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再通過傳動(dòng)系統(tǒng)讓汽車輪子轉(zhuǎn)動(dòng)。IGBT模塊是逆變器的核心部件，其工作原理如下： 通過半導(dǎo)體非通即斷的特性，不考慮過渡過程和寄生效應(yīng)，將單個(gè)IGBT芯片視作理想開關(guān)。在模塊內(nèi)部構(gòu)建若干個(gè)IGBT芯片單元的并串聯(lián)結(jié)構(gòu)，當(dāng)直流電通過模塊時(shí)，通過不同開關(guān)組合的快速開斷，改變電流的流出方向和頻率，從而輸出期望的交流電。

IGBT模塊的標(biāo)準(zhǔn)封裝形式通常是一個(gè)扁平的類長方體，最外面是塑料外殼，底部是導(dǎo)熱散熱的金屬底板（一般為銅材料）。模塊外部有眾多端子和引腳，各自具有特定作用。

IGBT模塊的生產(chǎn)流程具有很高的技術(shù)和工藝要求，大致包括：貼片→真空回流焊接→超聲波清洗→X-ray缺陷檢測→引線鍵合→靜態(tài)測試→二次焊接→殼體灌膠與固化→端子成形→功能測試（動(dòng)態(tài)測試、絕緣測試、反偏測試）。在貼片環(huán)節(jié)，首先將IGBT wafer上的每一個(gè)die貼片到DBC（覆銅陶瓷基板）上，DBC中間是陶瓷，雙面覆銅，起到導(dǎo)電和電氣隔離作用，常用陶瓷絕緣材料為氧化鋁（Al2O3）和氮化鋁（AlN）。真空焊接時(shí)，貼片后通過真空焊接將die與DBC固定，一般焊料是錫片或錫膏。X-ray空洞檢測用于檢測焊接過程中出現(xiàn)的氣泡情況，即空洞，空洞存在會(huì)嚴(yán)重影響器件的熱阻和散熱效率，導(dǎo)致過溫、燒壞、爆炸等問題，一般汽車IGBT模塊要求空洞率低于1%。接下來是wirebonding工藝，用金屬線將die和DBC鍵合，使用最多的是鋁線，其他常用的包括銅線、銅帶、鋁帶。中間會(huì)有一系列的外觀檢測、靜態(tài)測試，過程中有問題的模塊直接報(bào)廢。重復(fù)以上工序?qū)BC焊接和鍵合到銅底板上，然后是灌膠、封殼、激光打碼等工序。出廠前會(huì)做最后的功能測試，包括電氣性能的動(dòng)態(tài)測試、絕緣測試、反偏測試等。

汽車電控IGBT模塊的應(yīng)用領(lǐng)域

汽車電控IGBT模塊在新能源汽車領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，主要包括以下幾個(gè)方面：

• 電動(dòng)控制系統(tǒng)：用于大功率直流/交流（DC/AC）逆變后驅(qū)動(dòng)汽車電機(jī)。

• 車載空調(diào)控制系統(tǒng)：實(shí)現(xiàn)小功率直流/交流（DC/AC）逆變，使用電流較小的IGBT和FRD。

• 充電樁：在智能充電樁中作為開關(guān)元件使用。

IGBT模塊憑借出色的開關(guān)特性、耐高溫性、輕量化和極具成本效益等特色，成為各個(gè)產(chǎn)業(yè)的熱門選擇，包括汽車、工業(yè)和可再生能源。在車輛中，IGBT模塊主要作為電氣開關(guān)使用，能夠?qū)⒅绷麟姡―C）轉(zhuǎn)換成交流電（AC），反之亦然。如電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車，可用車載逆變器系統(tǒng)來控制電動(dòng)馬達(dá)，其優(yōu)勢在于改善開關(guān)速度、散熱穩(wěn)定、重量輕巧和成本可控。此外，IGBT模塊在智能電網(wǎng)的發(fā)電端、輸電端、變電端及用電端均有應(yīng)用，在軌道交通的交流傳動(dòng)系統(tǒng)中，IGBT也是牽引變流器最核心的器件之一。

汽車電控IGBT模塊的主要品牌

目前，汽車電控IGBT模塊的主要品牌包括：

• 國外品牌：英飛凌、富士、三菱、西門康等。

• 國內(nèi)品牌：

• 嘉興斯達(dá)半導(dǎo)體股份有限公司：自2005年成立以來，專注于IGBT芯片和模塊的研發(fā)、生產(chǎn)與銷售服務(wù)，成功研發(fā)出全系列IGBT芯片、FRD芯片及IGBT模塊，在新能源汽車、變頻器、逆變焊機(jī)、UPS、光伏/風(fēng)力發(fā)電、SVG、白色家電等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

• 江蘇宏微科技股份有限公司：長期從事電力電子產(chǎn)品研發(fā)和生產(chǎn)，專注于設(shè)計(jì)、研發(fā)、生產(chǎn)和銷售功率半導(dǎo)體芯片、單管和模塊，為國家IGBT和FRED標(biāo)準(zhǔn)起草單位提供支持。

• 南京銀茂微電子制造有限公司：專注于工業(yè)和其他應(yīng)用的功率IGBT和MOSFET模塊產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造，2016年通過TS16949認(rèn)證之后，進(jìn)入新能源汽車級IGBT/SIC功率模塊生產(chǎn)制造領(lǐng)域，產(chǎn)品廣泛用于工業(yè)變頻、新能源、電源裝備、公共交通、航空航天和國防領(lǐng)域等多個(gè)領(lǐng)域。

• 比亞迪半導(dǎo)體有限公司：國內(nèi)領(lǐng)先的半導(dǎo)體企業(yè)，產(chǎn)品涵蓋MOSFET、IGBT、IPM、SiC功率器件等多個(gè)領(lǐng)域，基于高密度TrenchFS的IGBT5.0技術(shù)已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，正在積極布局新一代IGBT技術(shù)，是國內(nèi)少數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)車規(guī)級IGBT量產(chǎn)裝車的IDM廠商。

• 上汽英飛凌汽車功率半導(dǎo)體（上海）有限公司：由上汽集團(tuán)和英飛凌共同出資成立的合資企業(yè)，從事車規(guī)級IGBT功率模塊的生產(chǎn)、銷售、本土化的應(yīng)用服務(wù)與開發(fā)支持，工廠全方位引進(jìn)了德國英飛凌的先進(jìn)設(shè)備、生產(chǎn)工藝與質(zhì)量保證體系，建立了國內(nèi)第一家具備國際領(lǐng)先水平的車規(guī)級全自動(dòng)IGBT模塊封裝測試產(chǎn)線和高度集成的生產(chǎn)制造系統(tǒng)。

汽車電控IGBT模塊的發(fā)展趨勢

近年來，中國新能源汽車產(chǎn)量增長迅速，IGBT作為新能源汽車核心零部件，其需求量也不斷提升。IGBT分為低壓、中壓和高壓，應(yīng)用場景廣泛，適用于各類需要交流電和直流電轉(zhuǎn)換及高低電壓轉(zhuǎn)換的應(yīng)用場景。在新能源汽車取代燃油汽車的趨勢下，IGBT作為其核心零部件，需求量也將得到提升。

然而，IGBT市場長期被大型國外跨國企業(yè)壟斷，近年來國內(nèi)廠商逐漸發(fā)力。在國內(nèi)新能源汽車IGBT模塊市場中，英飛凌公司占據(jù)較大市場份額，中車時(shí)代電氣等國內(nèi)企業(yè)的市場份額也在逐漸攀升。隨著市場的發(fā)展和國家政策的推動(dòng)，中國IGBT行業(yè)取得了一定的技術(shù)進(jìn)步，國產(chǎn)化趨勢明顯，預(yù)計(jì)未來市場規(guī)模將繼續(xù)擴(kuò)大。

汽車電控IGBT模塊的故障診斷與維修

在對IGBT模塊進(jìn)行檢測和維修時(shí)，需要注意以下方面：

• 極性判斷：將萬用表撥在R×1KΩ擋，若某一極與其它兩極阻值為無窮大，調(diào)換表筆后該極與其它兩極的阻值仍為無窮大，則此極為柵極（G）。其余兩極再用萬用表測量，若測得阻值為無窮大，調(diào)換表筆后測量阻值較小。在測量阻值較小的一次中，紅表筆接的為集電極（C），黑表筆接的為發(fā)射極（E）。

• 好壞判斷：將萬用表撥在R×10KΩ擋，用黑表筆接IGBT的集電極（C），紅表筆接IGBT的發(fā)射極（E），此時(shí)萬用表的指針在零位。用手指同時(shí)觸及一下柵極（G）和集電極（C），這時(shí)IGBT被觸發(fā)導(dǎo)通，萬用表的指針擺向阻值較小的方向，并能站住指示在某一位置，即可判斷IGBT是好的。

IGBT模塊可能出現(xiàn)多種故障，常見的故障原因及處理方式如下：

• 過電流損壞：

• 鎖定效應(yīng)：IGBT為復(fù)合器件，其內(nèi)有一個(gè)寄生晶閘管，當(dāng)漏極電流大到一定程度時(shí)，會(huì)發(fā)生鎖定效應(yīng)，導(dǎo)致集電極電流過大，造成器件損壞。

• 長時(shí)間過流運(yùn)行：IGBT模塊長時(shí)間過流運(yùn)行是指其運(yùn)行指標(biāo)達(dá)到或超出RBSOA（反偏安全工作區(qū)）所限定的電流安全邊界，如選型失誤、安全系數(shù)偏小等，電路必須能在電流到達(dá)RBSOA限定邊界前立即關(guān)斷器件，以保護(hù)器件。

• 短路超時(shí)（10us）：如果此時(shí)IGBT所承受的最大電壓也超過器件標(biāo)稱值，IGBT必須在更短的時(shí)間內(nèi)被關(guān)斷。

• 過電壓損壞和靜電損壞：IGBT在關(guān)斷時(shí)，由于逆變電路中存在電感成分，關(guān)斷瞬間產(chǎn)生尖峰電壓，如果尖峰電壓超過IGBT器件的最高峰值電壓，將造成IGBT擊穿損壞。多數(shù)情況下，可采用電壓鉗位，在集電極-柵極兩端并接齊納二極管，采用柵極電壓動(dòng)態(tài)控制，避免IGBT因受集電極發(fā)射極過電壓而損壞。

• 過熱損壞：過熱損壞一般指使用中IGBT模塊的結(jié)溫超過晶片的最大溫度限定，目前應(yīng)用的IGBT器件還是以Tjmax=150°C的NPT技術(shù)為主流，在IGBT模塊應(yīng)用中其結(jié)溫應(yīng)限制在該值以下。

• G-E間開放狀態(tài)下外加主電路電壓：在門極一發(fā)射極問開放的狀態(tài)下外加主電路電壓，會(huì)使IGBT自動(dòng)導(dǎo)通，通過過大的電流，使器件損壞。為防止這種損壞，必須先將主電路（C-E間）的電壓放電至0V，再進(jìn)行門極信號的切換。

• 機(jī)械應(yīng)力對產(chǎn)品的破壞：IGBT器件的端子如果受到強(qiáng)外力或振動(dòng)，就會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力，可能導(dǎo)致?lián)p壞IGBT器件內(nèi)部電氣配線等情況，在實(shí)際安裝時(shí)應(yīng)避免發(fā)生類似的應(yīng)力。

IGBT芯片封裝清洗劑選擇：

水基清洗的工藝和設(shè)備配置選擇對清洗精密器件尤其重要，一旦選定，就會(huì)作為一個(gè)長期的使用和運(yùn)行方式。水基清洗劑必須滿足清洗、漂洗、干燥的全工藝流程。

污染物有多種，可歸納為離子型和非離子型兩大類。離子型污染物接觸到環(huán)境中的濕氣，通電后發(fā)生電化學(xué)遷移，形成樹枝狀結(jié)構(gòu)體，造成低電阻通路，破壞了電路板功能。非離子型污染物可穿透PC B 的絕緣層，在PCB板表層下生長枝晶。除了離子型和非離子型污染物，還有粒狀污染物，例如焊料球、焊料槽內(nèi)的浮點(diǎn)、灰塵、塵埃等，這些污染物會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)質(zhì)量降低、焊接時(shí)焊點(diǎn)拉尖、產(chǎn)生氣孔、短路等等多種不良現(xiàn)象。

這么多污染物，到底哪些才是最備受關(guān)注的呢？助焊劑或錫膏普遍應(yīng)用于回流焊和波峰焊工藝中，它們主要由溶劑、潤濕劑、樹脂、緩蝕劑和活化劑等多種成分，焊后必然存在熱改性生成物，這些物質(zhì)在所有污染物中的占據(jù)主導(dǎo)，從產(chǎn)品失效情況來而言，焊后殘余物是影響產(chǎn)品質(zhì)量最主要的影響因素，離子型殘留物易引起電遷移使絕緣電阻下降，松香樹脂殘留物易吸附灰塵或雜質(zhì)引發(fā)接觸電阻增大，嚴(yán)重者導(dǎo)致開路失效，因此焊后必須進(jìn)行嚴(yán)格的清洗，才能保障電路板的質(zhì)量。

合明科技研發(fā)的水基清洗劑配合合適的清洗工藝能為芯片封裝前提供潔凈的界面條件。

合明科技運(yùn)用自身原創(chuàng)的產(chǎn)品技術(shù)，滿足芯片封裝工藝制程清洗的高難度技術(shù)要求，打破國外廠商在行業(yè)中的壟斷地位，為芯片封裝材料全面國產(chǎn)自主提供強(qiáng)有力的支持。

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