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用于混合动力和电动汽车的功率模块

导读: 目前,正在投入使用的功率模块中有4%是用在汽车应用中。未来几年,这个市场预计将每年增长20%,令人印象深刻。应用可能性是巨大的,用于混合动力和电力驱动的逆变器已经可以在货车、巴士和农用车以及汽车和赛车应用中见到其踪影。

  目前,正在投入使用的功率模块中有4%是用在汽车应用中。未来几年,这个市场预计将每年增长20%,令人印象深刻。应用可能性是巨大的,用于混合动力和电力驱动的逆变器已经可以在货车、巴士和农用车以及汽车和赛车应用中见到其踪影。由于不同的应用领域有着不同的需求,所有情况下的主要关注点是为功率模块开发可靠的封装技术。如今最普遍的封装解决方案是有基板和无基板的焊接模块,以及最近采用烧结技术的无基板模块。这些封装技术有着不同的优点和缺点,这就是为什么使用寿命设计要求就混合动力和电动汽车应用的要求评估这些技术。例如在冷却水循环下,变化的环境温度是被动热循环的原因。此外,功率半导体中产生的功率损耗产生短暂的(5~20s)t=40℃~60℃的温升。这里,功率半导体被从70℃的冷却水温度加热到超过110℃~130℃,之后它们又回落到冷却水温度。由于所使用的材料有着不同的热膨胀系数,因此每一次的温度变化都会导致机械应力的产生。这是导致焊接和键合连接中材料疲劳的原因,并最终导致组件出现故障。

避免焊接连接

  在采用压接技术的无基板模块中,有几种途径可用于提高模块的可靠性。通过不断避免焊接连接,焊接疲劳——这一功率模块的主要故障机理——是可以完全消除的。这里,芯片和绝缘dbc陶瓷基板上的焊接连接被一个高度稳定的烧结层所取代,采用压接技术进行导电连接。去除基板有许多好处:首先,可以减小模块与散热器之间导热涂层的厚度。导热涂层是功率模块中影响总热阻的主要因素之一,这就是为什么要用尽可能薄的导热涂层的原因。在有基板模块中,需要一个75~150μm的导热涂层以弥补基板的弯曲。在无基板模块中,要主要需要处理的问题是如何对散热片和dbc陶瓷基板表面的粗糙度进行补偿,这就是为什么一个20~30μm的导热涂层是足够的。去除基板意味着去掉了一个导致热应力的主要因素。

  焊点的去除消除了焊料疲劳,这一功率模块中常见的故障机制。基板的去除也消除了大部分的热应力。40℃/125℃的加速被动热冲击测试表明,温度传导应力被有效地被减少了,可靠性大大增加:在无基板烧结模块情况下,可能的热冲击次数增加了15倍。去除焊接互连和基板的进一步优势在于,有基板模块中,焊接dbc基板的面积应减小到最低限度以减少焊点材料的疲劳;这里,基板的高导热确保了所需的热传播。相比之下,设计无基板模块时,dbc基板的面积就可以更大了,如图1所示。

 

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