采用塑料封装和IMS衬底的混合动力汽车功率IGBT模块

        混合动力电动汽车(HEV)能把污染物排放量降低1/3至1/2，最新车型甚至可能把排放量降得更多。但是，HEV需要大功率的成本效益型电源开关，到目前为止，大功率开关产品因为成本高，可靠性达不到汽车应用的期望，而无法适合汽车应用。本文提出了采用塑料封装的高性能、低成本IGBT设计制造功率电子模块的创新工艺，这项技术优化了电源开关和电源转换器的功率处理能力，提高了可靠性。  

图1：并行HEV的基本架构。

        混合动力电动汽车(HEV)把普通汽车的内燃机和电动汽车的蓄电池及电动机组装在一辆汽车上，为汽车提供牵引力。HEV给用户带来了普通汽车和电动汽车的双重好处：燃油行驶距离延长和加油快速；节省能源和环保。与普通汽车相比，HEV的实际优点是燃油效率提高，尾气排放降低。HEV能把形成烟雾污染的污染物降低到当前的平均水平以下，尽管如此，混合动力汽车并不是真正的零排放，因为汽车毕竟还需要内燃机提供动力。第一批上市的混合动力汽车将会把导致全球变暖的污染物排放量降低1/3至1/2，最新车型甚至可能会把排放量降得更多。社会生态环境目标包括提高燃油经济性、降低温室效应排放、减少废气排放和在城市中心推广纯电动汽车。提高驾驶体验的目标包括在红绿灯处使用电动机起步停车，起步或换档时使用电动机增大牵引力，通过电动机为车轮提供连续的扭矩。 

        图1所示是一个并行HEV的基本架构，并行结构是指内燃机与电动机的机械动力同向合并在一起，向车轮提供扭矩。短距离行驶可以使用电动模式，而长途行驶则需要内燃机提供动力，当提高汽车动力输出，需要最大扭矩来时，内燃机和电动机的两个扭矩则合在一起。 

        HEV对安全性和可靠性的要求非常严格，是条件极为苛刻的安全系统。与此同时，HEV需要大功率的成本效益型电源开关，但是，到目前为止，大功率开关产品因为成本高，可靠性达不到汽车应用的期望，而无法适合汽车应用。ST提出了采用塑料封装的高性能、低成本的IGBT设计制造功率电子模块的创新工艺，这项技术同时优化了电源开关和电源转换器的功率处理能力、可靠性和成本。  

图2：并行HEV的功能示意图。

        图2是一个并行HEV的功能示意图。逆变器模块内置驱动电机所需的主动开关，我们已经实现了对逆变器模块的改进方案。对于电动汽车来说，电动设备的主要目标是成本低，可靠性高，总体积小，这个目标的确是一个艰巨的挑战。从成本和可靠性角度看，功率晶体管分立器件的标准塑料封装成本低廉而可靠性极高，相反，大功率模块价格昂贵，由于封装复杂，产量低，这些模块暴露出可靠性低的缺陷。对于表面贴装器件，这两者之间的差距更加悬殊，因此这些模块不适合低成本应用。另一方面，汽车应用需要的是平均质量水平AOL小于百万分之一的成本极低的电子元器件。 

        针对这些情况，现在ST采用量产加工设备制造出一种新型的能够封装大尺寸芯片(大约300 x 400 mils2)的表面贴装塑料封装，这项工艺将大幅度降低封装成本。此外，表面贴装还降低了产品组装所需的劳动成本，从而进一步降低制造成本，通过改进过程控制还可以提高可靠性。这个封装技术是模块化的，为汽车制造商提供了更高的独立性，降低了对模块供应商的依赖性。本文介绍采用表面贴装技术，把一个新设计的IGBT和一个高速二极管整合在一个大功率塑料封装内的新模块，这个解决方案将可靠性极高的完整的双向电流开关组件与大批量制造技术完美地结合在一起，这个兼用IMS技术和2*8 Max247封装实现的完整模块是一个车用400A 600V电力桥单元。该项开发成果属于EC Brite Euram成立的 INMOVE(并行混合动力电动汽车的电子驱动系统集成模块)项目的一部分。

图3：600V, 400A IGBT 模块示意图。

400A模块设计 

        在INMOVE项目开发期间，根据一份有关效能、可靠性、总体积、冷却条件和成本的调查报告提议的基本原则，我们为电动推进单元逆变器设计制造了一个600V 400A的功率模块。这个逆变器的拓扑是一个普通的硬开关B6配置，由三个内置续流二极管的半桥组成，每个半桥必须处理最高600V、400A的功率。 

        实现强电流开关的有效方式是并联几个很小的元器件。设计能够处理400A峰值电流的电源开关，需要在不同的级别使用并联技术，包括器件连接(电、热和机械)和驱动电路。实际制造这样的一个开关需要解决各种问题，如主动开关特性、杂散电感均衡、电源终端连接和热导。 
        使用并联器件设计400A的电源开关模块需要确定：

1. 在同一模块内工作的元器件的选择标准，确保每个元器件之间的电流和损耗比例正确，这个标准适用于所有功能区。
2. 模块结构(开关、桥臂、全桥)须最大限度降低并联拓扑产生的寄生效应。
3. 技术单元(电隔离、散热条件、机械强度) 。

        我们以前的文献对这些内容进行了全面、详实的分析，而且，我们根据最后的结果实现了功率模块。这个功率模块是通过并联STGY40NC60VD器件(主要特性见表1)，并将其组装在一个低成本衬底如IMS(隔离金属衬底)上实现的。模块的功能示意图见图3。 

        下面概括最终模块的主要特性：

• 大小： 150 x 83 x 18 mm
• 组装在 IMS 衬底BERQUIST THERMALCLAD， 其特性包括：底层 3.2mm 铝 6061 T6、电介质层 75um、电路层ED 铜 140um、热阻 0.65℃ cm2/Watt、电容 70 pF/cm2
• 主动开关是STGY40NC60VD，它是由一个 600V、50A快速IGBT和一个反并联的二极管组装在一个新的TO Max247T M塑料封装内构成的。 这些器件的选择条件是室温， 插入方程式1
• 每个100A桥臂的电源连接都使用螺纹接线端子；控制功能连接使用插入式接线端子。
• 连接一个串联的独立的10Ω电阻，以消除振动，同时一个10KΩ电阻与两个18V 齐纳二极管背对背连接，以保护栅极。为了实现快速驱动，需要在发射极建立一个独立的Kelvin通道，同时，器件过温保护还需要一个去饱和检测连接。

图4：600V、400A 功率模块原型。

        图4所示是功率模块最后组装的图片：四个600V、100A桥臂由一条螺钉固定的总线并联在一起。 

        我们对功率模块在不同的管壳温度下的电气特性给予了描述说明，表2概括了在典型器件上测到的相关参数的数值。表3为热阻参数。 

        这些新的400A半桥功率模块被应用到一个电源逆变器内，而逆变器则控制并供给一个30KW的永磁同步直流电机，该电机用作混合动力汽车的附加牵引力。 

        除汽车应用的可靠性要求外，还需要优化成本结构。因此，利用电源模块的额定峰压实现经济的额定电压电流具有重要的意义。为了在减去某些安全极限后最大限度地使用额定电压，需要设计一个低电感直流连接，这种方法能够把IGBT开关引起的瞬间电压降低到最低限度，这个方案最后是一个紧凑的设计，由短互连线和一条平面总线(两个并列的隔离铜层)组成，总线在缓冲电容器与所有的IGBT功率模块之间分配电源电压的正负电势。逆变器的原型设计在一个铝壳体内，壳体底部配有一个水冷散热系统。

结论 

        在本文中，我们介绍了一种利用标准塑料封装器件和IMS技术实现功率模块的新方法，这种方法主要用于汽车应用，新功率模块的主要优点总结如下：

• 低外廓封装设计。
• 提高与汽车温度有关的可靠性(热故障)。
• 满足振动和震动要求。
• 电流额定值灵活，无需巨额的加工成本(可升级设计: 50A, 100A, 150A,..)。
• 重新定制设计时降低成本。

        初步的量产成本评估结果显示，从年产量1万件新型功率模块来看，其比普通功率模块并没有太大的成本优势，可能由于可靠性的提升还使成本略有上升，但是后续的调查特别是在对大批量生产进行调查时应该显示成本会降低。