揭秘电动汽车IGBT芯片键合线

前言

根据乘联会数据，2022年6月新能源车国内零售渗透率27.4%，并且2022年6月29日欧盟对外宣布，欧盟27个成员国已经初步达成一致，欧洲将于2035年禁售燃油车。市场越来越景气，同时国内近期新发布的新能源车型也百花齐放。不论是普通消费者，还是新能源汽车产业相关从业者，也逐渐深入关注研究新能源车的一些核心部件，尤其是功率器件IGBT模块，本文科普一下电驱动中IGBT及其常用的键合线材料特性。      

     

电驱动系统工作原理

要弄明白IGBT模块，就要先了解新能源汽车的电驱系统，先用一句话概括电驱系统如何工作：在驾驶新能源汽车时，电机控制器把动力电池放出的直流电（DC）变为交流电（AC）（这个过程即逆变），让驱动电机工作，电机将电能转换成机械能，再通过传动系统（主要是减速器）让汽车的轮子跑起来。反过来，把车轮的机械能转换存储到电池的过程就是动能回收。

 

  电驱动系统组成      

三电系统，即动力电池（简称电池）、驱动电机（简称电机）、电机控制器（简称电控），也被人们成为三大件，加起来约占新能源车总成本的70%以上，是决定整车运动性能核心的组件。

电驱系统，我们一般简单把电机、电控、减速器，合称为电驱系统。

但严格定义上讲，电驱动系统包括三大总成：驱动电机总成（将动力电池的电能转化为旋转的机械能，是输出动力的来源）、控制器总成（基于功率半导体的硬件及软件设计，对驱动电机的工作状态进行实时控制，并持续丰富其他控制功能）、传动总成（通过齿轮组降低输出转速提高输出扭矩，以保证电驱动系统持续运行在高效区间）。

图：电驱系统示意图 

IGBT模块工作原理

在电控模块中，IGBT模块是逆变器的最核心部件，总结其工作原理：通过非通即断的半导体特性，不考虑过渡过程和寄生效应，我们将单个IGBT芯片看做一个理想的开关。我们在模块内部搭建起若干个IGBT芯片单元的并串联结构，当直流电通过模块时，通过不同开关组合的快速开断，来改变电流的流出方向和频率，从而输出得到我们想要的交流电。

图：IGBT逆变原理   

IGBT芯片中常用键合线材料特性大全

IGBT芯片与芯片的电极端子间，IGBT芯片电极端子与二极管芯片间，芯片电极端子与绝缘衬板间一般通过引线键合技术进行电气连接。通过键合线使芯片间构成互连，形成回路。引线键合是IGBT功率器件内部实现电气互连的主要方式之一。随着制造工艺的快速发展，许多金属键合线被广泛的应用到IGBT功率模块互连技术中。目前，常用的键合线有铝线、金线、银线、铜线、铝带、铜片和铝包铜线等。表1是引线键合技术中常用材料的性能。

表1 引线键合工艺中常用键合线的材料属性

铝线键合

铝线键合是目前工业上应用最广泛的一种芯片互连技术，铝线键合技术工艺十分成熟，且价格低廉。铝线根据直径的不同分为细锡线和粗铝线两种，直径小于100um的铝线被称为细铝线，直径大于100um小于500um的铝线被称为粗铝线。

   粗铝线的载流能力比细铝线强，直径为500um的粗铝线可承受直流约为23A的电流。   铝的热膨胀系数为23×10-6K-1，与硅芯片的热膨胀系数相差较大，在长时间的功率循环过程中会在封装体内积累热量，使模块温度升高，产生并积累热应力。很容易使键合引线断裂或键合接触表面脱落，最终导致模块的整体失效。在通流能力要求较高的情况下，引线的数目过于庞大，会造成键合接触表面产生裂纹。  

为了提高键合引线的载流能力，铝带键合技术逐步发展起来，相比于铝线键合，铝带的横截面积大，可靠性高，不但提高了整体的通流能力，避免由于髙频工作时造成的集肤效应，而且还有效地减小了封装体的厚度。表面积较大，散热效果也比铝线要好。铝带键合由于导电性能好，寄生电感小，在频率高，电流大的工作情况下应用较为广泛，其缺点是不能大角度弯曲。  

铜线键合

铜线比铝线的电阻率低，导电性能好，热导率比铝线高，散热性能好。现在功率模块大多追求小体积、高功率密度和快散热，铜线键合技术得到了广泛的应用。图3所示为铜线键合实物和铜带键合实物。      

铜线的通流能力强，直径400um的铜线可以承受直流约32.5A的电流，比铝线的载流能力提高了71%。铜线键合技术的缺点也十分明显。由于芯片表面多为铝合金，铜线在键合前需要在芯片表面进行电银或者沉积，不但增加了成本，而且增加了在生产过程中复杂程度。铜材料的热膨胀系数较大，与芯片不匹配，在功率循环工作条件下，产生的热应力累积，容易使键合引线脱落或芯片表面产生裂痕。

铝包铜线键合

综合考虑铝线与铜线的优缺点，研发人员研制了一种新型键合线，在铜线外层包裹一层厚度约为25~35um的铝。铝包铜线如图4所示，由于其表面为铝材料，在键合时不需要事先对芯片表面进行化学电镀处理，提高了系统的可靠性。铝包铜线的导电性能和导热性能均比铝线要好，增加了键合引线的可靠性，提高了IGBT功率模块的使用寿命。

金线键合

金线键合技术主要应用在集成度较高的IC芯片封装中，金线的热导率较高，散热效果好，电阻率比铝线低，导电性强。金线的膨胀系数为14.2×10-6K-1，为所有常用键合金属材料中最低的，与硅芯片的匹配性较其他键合材料要好。但由于其价格过于昂贵，限制了其在半导体封装中的广泛应用。       

银线键合

银键合线比金电阻率低，热导率高，故无论从导电性还是散热性都比较好，且其价格也相对较为便宜。银线的热膨胀系数较高，键合可靠性问题是需要着重考虑的。       综上所述，不同材料的键合引线，其主要应用领域不同，均有一定程度的优缺点。线键合会有较大的寄生电感，多跟线键合时会有邻近效应和电流分配不均等问题。带键合虽然可有效地避免上述问题，但工艺难度增加，相应的增加制造成本。另外由于键合材料热膨胀系数不匹配引起的热应力积累，最终会影响功率器件的可靠性问题。因此在选择键合引线时需要综合考虑工艺、功率器件可靠性和成本等方面。

审核编辑：黄飞