油電混合動力汽車（HEV）和電動汽車（EV）逐漸被市場接受，這為電子產(chǎn)業(yè)創(chuàng)造了諸多商機。雖然近年來電子組件在典型汽車物料清單中所占的比例逐漸提高，但是采用電力牽引可望成為塑造現(xiàn)代汽車成為電氣裝置的一大進展。

　　作為油電混合動力或純電動汽車高壓基礎設備的一部份，IGBT轉換器功率模塊是用于控制牽引馬達中傳動系統(tǒng)的關鍵組件。典型模塊包含1個三相全橋轉換器，由6個IGBT開關和若干續(xù)流二極管組成，如圖1所示。幾個IGBT組件可用在各個開關位置，以便實現(xiàn)所需的額定電流和導通電阻。

　　圖1：典型HEV/EV功率模塊的三相轉換器。

　　如果馬達的額定功率為100Kw（相當于134馬力），那么效率高達97%的模塊會以熱的形式耗散掉3kW左右的能量。如果模塊要提供令人滿意的可靠性，那么有效去除該熱量則是一大關鍵。現(xiàn)代內燃機汽車已經(jīng)建立了很高的可靠性標準，而電動汽車必須達到這些標準方可獲得廣大消費者的接受。

　　提高模塊可靠性

　　提高模塊可靠性和額定功率的措施包括采用芯片IGBT和優(yōu)化模塊結構，進而將導致焦耳加熱的寄生電損耗降至最低水平，在IGBT晶圓和模塊基板之間實現(xiàn)最低的熱阻。

　　與第一代油電混合動力汽車采用的功率模塊相較，如今的模塊典型熱迭加被大幅簡化，因而將晶圓和模塊基板之間的熱阻降到了最低程度。基板可能具有大量散熱片以實現(xiàn)空氣冷卻，或者更常見的是利用水/乙二醇混合物進行液體冷卻。典型現(xiàn)代IGBT功率模塊的熱迭加和電觸點如圖2所示。

　　圖2：典型IGBT功率模塊的構造。

　　至于IGBT，適用于現(xiàn)代高功率應用中需要高達300A（或更高）的電流處理能力的組件。這導致晶圓尺寸大至100mm2（或更高）。此外，最新一代組件采用超薄晶圓技術制造而成，晶圓厚度為100um（或更低），從而使電路路徑長度降至最低，不僅進一步提升了導通性能，還降低了電流負載，有助于提高開關效率。同時，超薄晶圓技術還增強了散熱。

　　然而，超薄晶圓為模塊制造商帶來了艱巨的生產(chǎn)挑戰(zhàn)，最終可能導致產(chǎn)線良率降低。模塊通常采用IGBT裸晶裝配，因而抵銷了任何二次封裝相關的無晶圓封裝電阻（DFPR）和封裝熱阻（RTHj-c），進而提高了能源效率和熱性能。在經(jīng)由負載電流彈射出來或在后續(xù)處理過程中，大型超薄晶圓可能會折斷。

　　雖然有時必須使用特殊處理設備，但當模塊暴露在熱循環(huán)時，晶圓尺寸較大可能直接影響可靠性。晶圓尺寸較大會導致晶圓與模塊基底之間CTE嚴重錯位，因而在焊接的管芯連接器或晶圓上產(chǎn)生較大的應力。經(jīng)過多次熱循環(huán)之后，管芯連接器逐漸退化，因而導致IGBT晶圓和基底之間的熱阻增加。這會造成過熱，進而降低性能，最終導致模塊過早損壞。

　　制造商可以通過將晶圓焊接到直接鍵合銅（DBC）基底上來降低材料之間CTE不匹配對結構的影響。這類裝配用鋁焊線（見圖2）將IGBT發(fā)射極連接到模塊終端上，通常會使用幾根直徑介于0.25mm（0.01英吋）和0.5mm（0.02英吋）之間的粗導線。可靠性測試顯示，焊線和熔敷金屬之間的接口很容易疲勞，因此限制了模塊的使用壽命。

　　在最終測試時，模塊制造商遇到了另一個挑戰(zhàn)──生產(chǎn)良率。他們在封裝前通常無法在全工作電流下測試功率半導體芯片。因此，某些與芯片有關的故障情形可能只在已裝配模塊的最終測試期間才能發(fā)現(xiàn)，因而降低了良率。