來源：羅姆半導體社區(qū)

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，絕緣柵雙極型晶體管，約占電機驅(qū)動系統(tǒng)成本的一半，而電機驅(qū)動系統(tǒng)占整車成本的15-20%，也就是說IGBT占整車成本的7-10%，是除電池之外成本第二高的元件，也決定了整車的能源效率。

2016年全球電動車銷量大約200萬輛，共消耗了大約9億美元的IGBT管，平均每輛車大約450美元，是電動車里除電池外最昂貴的部件。 其中，混合動力和PHEV大約77萬輛，每輛車需要大約300美元的IGBT，純電動車大約123萬輛，平均每輛車使用540美元的IGBT，大功率的純電公交車用的IGBT可能超過1000美元。2017年全球純電動汽車銷量達到123萬輛，中國市場份額超過50%，增存量市場空間巨大。

什么是 IGBT?

IGBT是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場效應(yīng)管)組成的復合全控型電壓驅(qū)動式功率半導體器件。 與以前的各種電力電子器件相比，IGBT具有以下特點：高輸入阻抗，可采用通用低成本的驅(qū)動線路；高速開關(guān)特性;導通狀態(tài)低損耗。 IGBT兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優(yōu)點， 在綜合性能方面占有明顯優(yōu)勢，非常適合應(yīng)用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)如交流電機、變頻器、開關(guān)電源、照明電路、牽引傳動等領(lǐng)域。

對于混合動力，除驅(qū)動電機外，另外還有一個發(fā)電機，可以由汽車的發(fā)動機帶動其發(fā)電，然后通過IGBT模塊AC/DC轉(zhuǎn)換后向電池充電。在DM車型中，該發(fā)電機還可以充當驅(qū)動電機的作用。

IGBT最常見的形式其實是模塊(Module)，而不是單管。模塊的基本特征：多個芯片以絕緣方式組裝到金屬基板上；空心塑殼封裝，與空氣的隔絕材料是高壓硅脂或者硅脂，以及其他可能的軟性絕緣材料；同一個制造商、同一技術(shù)系列的產(chǎn)品，IGBT模塊的技術(shù)特性與同等規(guī)格的IGBT 單管基本相同。

模塊的主要優(yōu)勢有：多個IGBT芯片并聯(lián)，IGBT的電流規(guī)格更大。多個IGBT芯片按照特定的電路形式組合，如半橋、全橋等，可以減少外部電路連接的復雜性。多個IGBT芯片處于同一個金屬基板上，等于是在獨立的散熱器與IGBT芯片之間增加了一塊均熱板，工作更可靠。一個模塊內(nèi)的多個IGBT芯片經(jīng)過了模塊制造商的篩選，其參數(shù)一致性比市售分立元件要好。模塊中多個IGBT芯片之間的連接與多個分立形式的單管進行外部連接相比，電路布局更好，引線電感更小。

模塊的外部引線端子更適合高壓和大電流連接。同一制造商的同系列產(chǎn)品，模塊的最高電壓等級一般會比IGBT 單管高1-2個等級，如果單管產(chǎn)品的最高電壓規(guī)格為1700V，則模塊有2500V、3300V 乃至更高電壓規(guī)格的產(chǎn)品。

晶圓上的一個最小全功能單元稱為Cell，晶圓分割后的最小單元，構(gòu)成IGBT 單管或者模塊的一個單元的芯片單元，合稱為IGBT的管芯。一個IGBT管芯稱為模塊的一個單元，也稱為模塊單元、模塊的管芯。模塊單元與IGBT管芯的區(qū)別在最終產(chǎn)品，模塊單元沒有獨立的封裝，而管芯都有獨立的封裝，成為一個IGBT管。 近來還有一種叫IPM的模塊，把門級驅(qū)動和保護電路也封裝進IGBT模塊內(nèi)部，不過工作頻率自然不能太高咯。 單管的價格要遠低于模塊，但是單管的可靠性遠不及模塊。

IGBT的關(guān)鍵有兩點，一是散熱，二是背板工藝。 IGBT的正面工藝和標準BCD的LDMOS沒區(qū)別，區(qū)別在背面，背面工藝有幾點，首先是減薄，大約需要減薄6-8毫米，減得太多容易碎片，減得太少沒有效果。接下來是離子注入，注入一層薄磷做緩沖層，第四代需要兩次注入磷，本來硅片就很薄了，兩次注入很容易碎片。 然后是清洗，接下來金屬化，在背面蒸鍍一層鈦或銀，最后是Alloy，因為硅片太薄，很容易翹曲或碎片。

這些工藝不僅需要長期摸索，同時還需要針對工藝開發(fā)生產(chǎn)設(shè)備，只有對生產(chǎn)線和設(shè)備都非常精通的企業(yè)才能勝任。

自第六代以后，IGBT自身的潛力已經(jīng)挖掘的差不多了，大家都把精力轉(zhuǎn)移到IGBT的封裝上，也就是散熱。 車用IGBT的散熱效率要求比工業(yè)級要高得多，逆變器內(nèi)溫度最高可達大20度，同時還要考慮強振動條件，車規(guī)級的IGBT遠在工業(yè)級之上。

解決散熱的第一點，就是提高 IGBT模塊內(nèi)部的導熱導電性能、耐受功率循環(huán)的能力， IGBT模塊內(nèi)部引線技術(shù)經(jīng)歷了粗鋁線鍵合、 鋁帶鍵合再到銅線鍵合的過程，提高了載流密度。

第二點，新的焊接工藝，傳統(tǒng)焊料為錫鉛合金， 成本低廉、工藝簡單， 但存在環(huán)境污染問題， 且車用功率模塊的芯片溫度已經(jīng)接近錫鉛焊料熔點(220℃)。 解決該問題的新技術(shù)主要有：低溫銀燒結(jié)技術(shù)和瞬態(tài)液相擴散焊接。與傳統(tǒng)工藝相比， 銀燒結(jié)技術(shù)的導熱性、耐熱性更好， 具有更高的可靠性。 瞬態(tài)液相擴散焊接通過特殊工藝形成金屬合金層， 熔點比傳統(tǒng)焊料高， 機械性能更好。

第三點，改進DBC和模塊底板，降低散熱熱阻， 提高熱可靠性， 減小體積，降低成本等。以 AlN 和 AlSiC 等材料取代 DBC 中的Al2O3和Si3N4等常規(guī)陶瓷，熱導率更高，與Si 材料的熱膨脹系數(shù)匹配更好。

此外，新型的散熱結(jié)構(gòu)，如 Pin Fin結(jié)構(gòu) 和 Shower Power結(jié)構(gòu)， 能夠顯著降低模塊的整體熱阻，提高散熱效率。

第四點，就是擴大模塊與散熱底板間的連接面積，如端子壓接技術(shù)。

散熱的關(guān)鍵是材料，GBT的下一代SiC(碳化硅)技術(shù)已經(jīng)嶄露頭角， SiC能將新能源車的效率再提高10%，這是新能源車提高效率最有效的技術(shù)

使用SiC元器件能讓設(shè)備體積更小，功耗更低。因具備高耐壓、高耐熱特性，使在小空間和嚴酷環(huán)境下的安裝成為可能。應(yīng)用于混合動力汽車和電動汽車，可大幅降低油耗，擴大車內(nèi)空間，從而有更多空間設(shè)置更大的電池，有效提高行駛距離。

羅姆的SiC器件可以大幅降低逆變器的能量損耗，并且隨著體積的減小，對新能源汽車的性能提升有著非常大的幫助。

審核編輯黃昊宇