【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的產品可靠性及其成本至關重要。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試驗是為了模擬實際應用中負載變化引起的綁定線和芯片結溫的變化，試驗結果為特定溫升條件下的壽命(循環(huán)次數)。試驗過程中IGBT模塊通入秒級的負載電流，同時調節(jié)冷卻系統(tǒng)溫度使結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)測試和失效現象
02 封裝可靠性
與封裝可靠性相關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，其中包含模塊內芯片可靠性和封裝可靠性相關的試驗項目和要求。英飛凌在功率半導體行業(yè)積累了多年的實戰(zhàn)經驗，致力于為廣大客戶提供高可靠性的汽車級產品。
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