1.4 汽车级 IGBT 模块产品进展
电动汽车电机控制器对大功率半导体模块的更高要求是汽车级 IGBT 模块技术不断发展的主要驱动力之一。基于性能、可靠性、寿命提升、成本降低的持续追求，使汽车级 IGBT 模块成为功率模块结构、技术和材料发展的主要推动力量。表 1 是汽车级 IGBT 模块产品验证标准，在温度冲击、机械振动和冲击、功率循环寿命等方面的标准比工业级模块更加严格[30]，表 2 是汽车模块产品代次发展及其主要特征。
目前 ， 6 开关 HybridPACK Drive 直接 液 体 冷 却IGBT 模块及其同封装产品已经成为中高端电动汽车驱动器的主流产品，一些厂商以该模块形式进行了宽禁带功率器件 （如 SiC MOSFET，GaN HEMT） 封装[31]。在采用新型结构、先进技术和材料的基础上，汽车IGBT 模块的最新产品形式主要有以下 2 个方面：
一是转模灌封模块。。转模灌封技术广泛用于集成电路、分立器件的封装，但直到近年才被用于大功率IGBT 模块封装。转模灌封的优点：①工作温度更高，目前 EMC 材料的最大玻璃化温度达到 200 ℃以上，因而比硅胶更适用于高温封装；②EMC 材料的热膨胀系数 （Coefficient of Temperature Expansion，CTE） 比硅胶低一个数量级，目前已经能做到 15 ppm/K 以下，在温度变化过程中，EMC 材料半导体芯片、互连金属、绝缘衬板的热应力更小，从而提高了模块的“热-机械”稳定性和寿命；③转模灌封的防潮能力强，EMC材料对湿气的抵抗能力更强，保证了模块在潮湿工作环境下的长期可靠性；④抗机械振动和冲击的能力更强，EMC 材料经固化后强度很高，并与端子、衬板等材料具有很强的结合性，因而减小了机械振动和冲击对模块的影响，提高了模块的可靠性。目前，主要的IGBT 模块厂商都推出了转模产品，主要的应用领域是电动汽车，如图 7 [32-36]所示。转模封装的设备和工艺要求比传统硅胶填充更高，需要定制化的工装，因而工艺过程较长，成本较高。此外，转模封装主要适用于无基板结构和尺寸较小的模块产品，而当前主要拓扑结构是半桥结构。这是因为在灌封后，需要对 EMC 在高温下进行较长时间的固化，此过程使得基板形成很大的“热-机械”应力，造成基板变形。但转模灌封是大功率密度、高可靠性、轻量化功率模块封装的主要技术 方 向 ， 是先 进 新 型 宽 禁 带 （Wide Band Gap，WBG） 大功率模块的主要产品形式。
二是先进互连双面散热模块。传统 IGBT 模块采用铝线键合互连，主要通过衬板基板通道散热，在电流能力、散热能力和功率循环可靠性等方面存在局限性，其中键合引线脱落和根部断裂被认为是大功率模块失效的主要模式。先进互连技术旨在增强互连结构电流通过能力和可靠性，降低失效发生率。目前，比较广泛应用的先进互连技术主要包括：①平面互连，通过上层衬板或 PCB 形成电路；②直接导线键合 （Direct-Lead Bonding，DLB） 技术，通过主电流端子与芯片连接形成互连；③铜线键合，采用电流通过能力、散热能力 更 强 和 CTE 更低 的 铜 线 实 现 互 连 ； ④ 金属 夹（Clip） 互连技术，用于芯片间、芯片与衬板的互连，金属夹不与主端子一体化[37-41]。
通过平面互连技术，如平面金属层或衬板结构，可以实现双面散热封装。模块的热损耗可以向上、下 2个方 向 传 输 ， 达到 双 面 冷 却 （Double Side Cooling，DSC） 的效果。DSC 结构的 RthJ-C 比同规格的单面散热结构降低 30% 左右[41]，从而大幅降低芯片结温 Tj，提高热稳定性。DSC 模块采用转模灌封技术，具有双面冷却和转模封装的诸多优势。图 8 是一款典型的 DSC转模模块及其剖面结构图，用于电动汽车电机驱动。当前的 DSC 模块一般不是直接水冷，在应用中需要通过导 热 材 料 （或通 过 焊 接 工 艺） 与外 部 散 热 器接触[41]。
