工业、EV、轨道交通用IGBT模块的选材及封装工艺对比

IGBT的应用领域很广，如工业领域中的变频器,轨道交通领域的高铁、地铁、轻轨,新能源领域的新能源汽车、风力发电等。根据工作环境的电压不同，IGBT可以分为低压（600V以下）、中压（600V-1200V）、高压（1700V-6500V）， 各电压等级IGBT应用领域各不相同，例如高压高电流密度 IGBT 应用于轨道交通与电网，中低压IGBT应用于新能源电动汽车（EV）。

下面我们一起来看看工业、EV、轨道交通这三个领域使用IGBT模块的材料选择及封装工艺有何不同，供大家参考。

1.材料选择对比

由下图我们可以看到，外壳选材上，工业用IGBT模块外壳一般采用通用型PBT材料，EV用IGBT模块外壳采用增强型PBT材料，轨道交通用IGBT模块外壳采用更耐温综合性能更好的PPS材料。工业、EV、轨道交通用IGBT模块用的硅胶分别采用普通型凝胶、改进型凝胶以及高温型凝胶。

图 工业、EV、高铁用IGBT模块的选材对比

陶瓷衬板方面，工业IGBT可以采用一般的DBC 氧化铝陶瓷衬板，电动汽车上要求会比较高，采用ZTA（氧化锆掺杂氧化铝）或者氮化铝 DBC陶瓷衬板，应用在轨道交通上的IGBT要求更高，需要可靠性更高、综合性能优越的的AMB 氮化硅陶瓷衬板。在散热基板的选材方面，工业IGBT一般采用铜底板或者铜底板+导热界面材料（TIM），电动企业采用散热效果更好的铜针鳍散热器，轨道交通的底板则采用铝碳化硅针鳍散热器。

图 各材料的热导率及热膨胀系数

在前面的文章《铝碳化硅（AlSiC）基板在IGBT中的应用》中，给大家介绍到，铜具有良好的导热能力，可现快速散热，且价格便宜，但铜的热膨胀系数接近IGBT芯片的三倍，如果长期在震动环境下使用，其可靠性会大幅下降。而 AlSiC 热导率虽不如铜，但热膨胀系数更接近芯片及陶瓷基板，能够有效改善模块的热循环能力。

2.封装工艺对比

图 工业、EV、高铁用IGBT模块的封装工艺对比 封装工艺方面，工业IGBT采用铝线（Al）键合，电动汽车IGBT采用铝带键合，轨道交通IGBT采用铜线键合。铝线键合工艺成熟、成本较低，但是铝线键合的电气、热力学性能较差，膨胀系数失配大，影响IGBT使用寿命。而铜线键合工艺具有电气、热力学性能优良等优点，可靠性高，适用于高功率密度、高效散热的模块。

此外，还有赛米控（Semikron ）SKiN 封装技术采用柔性PCB板取代键合线实现芯片的上下表面电气连接。

图 Semikron SKiN 封装

工业IGBT芯片贴合采用锡银焊料 ，DBC陶瓷衬底焊接采用锡膏；电动汽车、轨道交通用IGBT芯片贴合采用 Cu/Sn 共晶焊接或者银烧结，DBC陶瓷衬底焊接分别采用锡片和扩散焊。

更大的功率密度应用需求，相应的芯片结温可达175℃甚至200℃，而这就与熔化温度约220℃的标准锡基软钎焊料相矛盾。如果使用这种软钎焊料焊接芯片，模块工作时的芯片结温与焊料熔化温度将非常接近，同系温度>0.8（同系温度，homologous temperature，Top/Tmelt=Thom），这将导致焊接层在热应力负载下很快就疲劳失效。解决这个矛盾有三种解决方案：①使用熔化温度更高的软钎焊焊料，②银浆烧结技术（Ag paste sintering），③扩散焊接技术（diffusion soldering）。

IGBT功率模块内部由多层堆叠而成，各层的材料不同，其主要的作用也不同。不同材料的不同特性对IGB模块的整体性能有着十分重要的影响，要看具体的应用要求来做选材。从工业、EV、轨道交通这三个领域使用IGBT模块的材料选择及封装工艺来看，对于使用环境苛刻，可靠性要求更高的应用领域，选择的材料及封装工艺具有更好的综合性能和可靠性。

审核编辑 ：李倩