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挑选一款合适的汽车级IGBT模块: 解读国内首部车用IGBT标准

2022-6-17 16:53| 发布者: 闪电| 查看: 1| 评论: 0

摘要: 随着新能源汽车行业的蓬勃发展,越来越多的IGBT产品应运而生。汽车零部件时常暴露在恶劣的气候条件下,因此必须保证汽车级产品在高温、高湿、高压条件下可靠运行。如何选择合适的汽车级半导体器件,对于Tier1和OEM的 ...

随着新能源汽车行业的蓬勃发展,越来越多的IGBT产品应运而生。汽车零部件时常暴露在恶劣的气候条件下,因此必须保证汽车级产品在高温、高湿、高压条件下可靠运行。如何选择合适的汽车级半导体器件,对于Tier1和OEM的产品可靠性及其成本至关重要。本文将从汽车行业的IGBT模块环境试验的要求出发,介绍汽车级功率半导体器件IGBT模块需要满足的条件。


IGBT全称为绝缘栅双极晶体管,是电力电子行业广泛应用的半导体器件。这里讲述的模块是一种具体的封装形式,它是IGBT芯片的载体并起到保护作用。


近些年随着新能源汽车行业的蓬勃发展,越来越多的汽车级IGBT产品应运而生。了解汽车行业的半导体标准,可以加深对器件特性的理解,帮助开发者选择合适的产品。 


半导体标准

在半导体标准体系内,有JEDEC(Joint Electron Device Engineering Council),IEC(International Electrotechnical Commission)等标准。


汽车行业标准


在汽车行业有AEC(Automotive Electronics Council)标准,车载IGBT模块的可靠性试验规范AQG324由ECPE(European Center for Power Electronics)发布,早期命名为LV324,由汽车厂商大众、奥迪、宝马、保时捷和戴姆勒编制而成。


QC/T 1136 汽车级 IGBT 标准


国内由CATARC牵头,中国一汽主笔编写了《QC/T 1136-2020 电动汽车用绝缘栅双极晶体管模块环境试验要求及试验方法》,并于2021年4月1日首次发布,是国内首部车用IGBT模块的标准,用于规范半导体供应商在IGBT模块可靠性试验的项目及其要求,作为起草组成员之一,英飞凌参与了标准制订。


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QC/T 1136-2020规定了电动汽车用IGBT模块环境适应性的要求和试验方法。全文分为八个部分,分别是前言、范围、规范性引用文件、术语和定义、符号和缩略语、环境适应性要求、试验方法和附录。其中第五章节为环境适应性要求(见表1)、第六章节为试验方法。所有试验在无特殊规定时,应在下列环境条件下进行:


-环境温度:+18℃~+28℃;

-相对湿度:45%~75%;

-大气压力:86kPa~106kPa;

-海拔:不超过1000米。若超过1000米,按GB/T18488.1-2015有关规定进行修正。


表1. QC/T 1136汽车级IGBT模块环境试验要求和参考标注

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在表1中试验项目可以归纳为芯片可靠性和封装可靠性两大类,其中:


01 芯片可靠性


与芯片可靠性相关的试验项目有高温阻断试验、高温栅极偏置试验、高压高温高湿阻断试验和功率循环(秒级)试验。


表2. 芯片可靠性试验要求

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考虑到汽车零部件时常暴露在恶劣的气候条件下,因此必须保证汽车级产品在高温、高湿、高压条件下,避免出现腐蚀或氧化。其中高温高湿阻断试验基于AEC-Q101要求的80V电压下进行,但考虑到实际运行工况中母线电压要远大于80V,所以设计了HV-H³TRB试验。为通过加严的高温高湿阻断试验,在芯片设计中需要特别关注钝化层的设计。


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图2. 优化钝化层前/后的试验结果


PCsec试验是为了模拟实际应用中负载变化引起的绑定线和芯片结温的变化,试验结果为特定温升条件下的寿命(循环次数)。试验过程中IGBT模块通入秒级的负载电流,同时调节冷却系统温度使结温达到最大允许工作温度。在这个过程中,主要考验绑定线与芯片的连接点以及IGBT芯片与DCB焊接层的可靠性。试验终止条件为导通压降超过初始值的5%或系统热阻超过初始值的20%。


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图3. PC(sec)测试和失效现象


02 封装可靠性


与封装可靠性相关的试验项目有机械振动/冲击、功率循环(PCsec/PCmin)、温度冲击、温度循环(被动)、高/低温贮存,锡焊温度及其可焊性的试验。


表3. 封装可靠性试验要求

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在机械振动方面,考虑到安装位置对于振动等级(严酷度)的要求差异,因此在这里没有给出具体的限值,需要根据在车身上的安装位置选取振动等级(参考GB/T 28046.3-2011)。机械振动试验会导致绑定线自身的开裂、绑定线与其它相关连接件的松脱以及封装外壳的开裂等,因此IGBT模块必须满足相关的严酷度等级。


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图4. 机械振动导致的绑定线失效


功率循环试验(PCsec/PCmin)与温度循环/冲击试验设置的主要差别在于发热源,功率循环是通过负载电流使芯片发热,而温度循环/冲击是由外部热源加热整个封装。


1. 功率循环(PCsec):检验绑定线与芯片的连接点可靠性以及芯片与DCB焊接层的可靠性。

2. 功率循环(PCmin):检验绑定线与芯片的连接点可靠性,芯片与DCB焊接层的可靠性以及DCB与Baseplate焊接层的可靠性。

3. 温度循环(TC):从Baseplate底部缓慢加热整个封装,检验具有不同热膨胀系数的材料之间连接的可靠性。

4. 温度冲击(TST):将IGBT模块迅速(<30s)从高温(低温)环境放置于低温(高温)环境,检验模块在快速温度交变场景之下的适应性。


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图5. IGBT模块的分层示意图


高低温贮存试验是考量IGBT模块在特定温度环境下最小贮存时间。焊接温度和可焊性是针对IGBT模块上信号Pin提出的,对于压接的信号Pin也要满足可焊性的要求。


最后总结一下,QC/T 1136-2020是针对汽车级IGBT模块环境可靠性试验的推荐标准,其中包含模块内芯片可靠性和封装可靠性相关的试验项目和要求。英飞凌在功率半导体行业积累了多年的实战经验,致力于为广大客户提供高可靠性的汽车级产品。



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