采用塑料封裝和IMS襯底的混合動力汽車功率IGBT模塊

　　混合動力電動汽車（HEV）能把污染物排放量降低1/3至1/2,最新車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電源開關(guān)，到目前為止，大功率開關(guān)產(chǎn)品因為成本高，可靠性達(dá)不到汽車應(yīng)用的期望，而無法適合汽車應(yīng)用。本文提出了采用塑料封裝的高性能、低成本IGBT設(shè)計制造功率電子模塊的創(chuàng)新工藝，這項技術(shù)優(yōu)化了電源開關(guān)和電源轉(zhuǎn)換器的功率處理能力，提高了可靠性。

圖1:并行HEV的基本架構(gòu)。

　　混合動力電動汽車（HEV）把普通汽車的內(nèi)燃機(jī)和電動汽車的蓄電池及電動機(jī)組裝在一輛汽車上，為汽車提供牽引力。HEV給用戶帶來了普通汽車和電動汽車的雙重好處：燃油行駛距離延長和加油快速；節(jié)省能源和環(huán)保。與普通汽車相比，HEV的實際優(yōu)點是燃油效率提高，尾氣排放降低。HEV能把形成煙霧污染的污染物降低到當(dāng)前的平均水平以下，盡管如此，混合動力汽車并不是真正的零排放，因為汽車畢竟還需要內(nèi)燃機(jī)提供動力。第一批上市的混合動力汽車將會把導(dǎo)致全球變暖的污染物排放量降低1/3至1/2,最新車型甚至可能會把排放量降得更多。社會生態(tài)環(huán)境目標(biāo)包括提高燃油經(jīng)濟(jì)性、降低溫室效應(yīng)排放、減少廢氣排放和在城市中心推廣純電動汽車。提高駕駛體驗的目標(biāo)包括在紅綠燈處使用電動機(jī)起步停車，起步或換檔時使用電動機(jī)增大牽引力，通過電動機(jī)為車輪提供連續(xù)的扭矩。

　　圖1所示是一個并行HEV的基本架構(gòu)，并行結(jié)構(gòu)是指內(nèi)燃機(jī)與電動機(jī)的機(jī)械動力同向合并在一起，向車輪提供扭矩。短距離行駛可以使用電動模式，而長途行駛則需要內(nèi)燃機(jī)提供動力，當(dāng)提高汽車動力輸出，需要最大扭矩來時，內(nèi)燃機(jī)和電動機(jī)的兩個扭矩則合在一起。

　　HEV對安全性和可靠性的要求非常嚴(yán)格，是條件極為苛刻的安全系統(tǒng)。與此同時，HEV需要大功率的成本效益型電源開關(guān)，但是，到目前為止，大功率開關(guān)產(chǎn)品因為成本高，可靠性達(dá)不到汽車應(yīng)用的期望，而無法適合汽車應(yīng)用。ST提出了采用塑料封裝的高性能、低成本的IGBT設(shè)計制造功率電子模塊的創(chuàng)新工藝，這項技術(shù)同時優(yōu)化了電源開關(guān)和電源轉(zhuǎn)換器的功率處理能力、可靠性和成本。

　　圖2:并行HEV的功能示意圖。

　　圖2是一個并行HEV的功能示意圖。逆變器模塊內(nèi)置驅(qū)動電機(jī)所需的主動開關(guān)，我們已經(jīng)實現(xiàn)了對逆變器模塊的改進(jìn)方案。對于電動汽車來說，電動設(shè)備的主要目標(biāo)是成本低，可靠性高，總體積小，這個目標(biāo)的確是一個艱巨的挑戰(zhàn)。從成本和可靠性角度看，功率晶體管分立器件的標(biāo)準(zhǔn)塑料封裝成本低廉而可靠性極高，相反，大功率模塊價格昂貴，由于封裝復(fù)雜，產(chǎn)量低，這些模塊暴露出可靠性低的缺陷。對于表面貼裝器件，這兩者之間的差距更加懸殊，因此這些模塊不適合低成本應(yīng)用。另一方面，汽車應(yīng)用需要的是平均質(zhì)量水平AOL小于百萬分之一的成本極低的電子元器件。

　　針對這些情況，現(xiàn)在ST采用量產(chǎn)加工設(shè)備制造出一種新型的能夠封裝大尺寸芯片（大約300 x 400 mils2）的表面貼裝塑料封裝，這項工藝將大幅度降低封裝成本。此外，表面貼裝還降低了產(chǎn)品組裝所需的勞動成本，從而進(jìn)一步降低制造成本，通過改進(jìn)過程控制還可以提高可靠性。這個封裝技術(shù)是模塊化的，為汽車制造商提供了更高的獨(dú)立性，降低了對模塊供應(yīng)商的依賴性。本文介紹采用表面貼裝技術(shù)，把一個新設(shè)計的IGBT和一個高速二極管整合在一個大功率塑料封裝內(nèi)的新模塊，這個解決方案將可靠性極高的完整的雙向電流開關(guān)組件與大批量制造技術(shù)完美地結(jié)合在一起，這個兼用IMS技術(shù)和2*8 Max247封裝實現(xiàn)的完整模塊是一個車用400A 600V電力橋單元。該項開發(fā)成果屬于EC Brite Euram成立的 INMOVE（并行混合動力電動汽車的電子驅(qū)動系統(tǒng)集成模塊）項目的一部分。

　　圖3:600V, 400A IGBT 模塊示意圖。