IGBT, vollständig als Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode bezeichnet, ist ein Halbleiterbauelement, das in der Leistungselektronikindustrie weit verbreitet ist. Bei dem hier beschriebenen Modul handelt es sich um eine spezielle Verpackungsform, die als Träger des IGBT-Chips dient und eine Schutzfunktion übernimmt.

In den letzten Jahren sind mit der dynamischen Entwicklung der Automobilindustrie für neue Energien immer mehr IGBT-Produkte für die Automobilindustrie auf den Markt gekommen. Die Kenntnis der Halbleiterstandards der Automobilindustrie kann das Verständnis der Geräteeigenschaften vertiefen und Entwicklern bei der Auswahl geeigneter Produkte helfen.

Halbleiterstandard

Innerhalb des Halbleiterstandardsystems gibt es JEDEC (Joint Electron Device Engineering Council), IEC (International Electrotechnical Commission) und andere Standards.

Standard der Automobilindustrie

In der Automobilindustrie gibt es den AEC-Standard (Automotive Electronics Council) und AQG324, die Zuverlässigkeitstestspezifikation für IGBT-Module in Fahrzeugen, wurde vom ECPE (European Center for Power Electronics) veröffentlicht, in der Anfangsphase LV324 genannt und von den Automobilherstellern Volkswagen, Audi, BMW, Porsche und Daimler zusammengestellt.

QC/T 1136 Automotive-IGBT-Standard

Unter der Leitung von CATARC in China verfasste China FAW den Standard QC/T 1136-2020 „Umwelttestanforderungen und Testmethoden für Bipolartransistormodule mit isolierter Gate-Elektrode für Elektrofahrzeuge“, der erstmals am 1. April 2021 veröffentlicht wurde. Es handelt sich um den ersten nationalen Standard für IGBT-Module für Fahrzeuge und dient der Standardisierung der Zuverlässigkeitstests und -anforderungen von Halbleiterlieferanten für IGBT-Module. Infineon war als Mitglied der Redaktionsgruppe an der Formulierung des Standards beteiligt.

QC/T 1136-2020 legt die Anforderungen und Testmethoden für die Umweltverträglichkeit von IGBT-Modulen für Elektrofahrzeuge fest. Der vollständige Text ist in acht Teile gegliedert: Vorwort, Geltungsbereich, normative Zitierdokumente, Begriffe und Definitionen, Symbole und Abkürzungen, Anforderungen an die Anpassungsfähigkeit an die Umwelt, Prüfmethoden und Anhang. Das fünfte Kapitel befasst sich mit den Anforderungen an die Anpassungsfähigkeit an die Umwelt (siehe Tabelle 1) und das sechste Kapitel befasst sich mit der Testmethode. Sofern nicht anders angegeben, müssen alle Tests unter den folgenden Umgebungsbedingungen durchgeführt werden:

-Umgebung: +18℃ ~+28℃;
-Relative Luftfeuchtigkeit: 45 % ~ 75 %;
-Atmosphärendruck: 86 kPa ~ 106 kPa;
-Höhe: nicht mehr als 1000 Meter. Wenn es 1000 m überschreitet, muss es gemäß den einschlägigen Bestimmungen von GB/T18488.1-2015 korrigiert werden.

Tabelle 1. QC/T 1136 Umwelttestanforderungen und Referenzkennzeichnung von Automotive-IGBT-Modulen

In Tabelle 1 können die Testgegenstände in zwei Kategorien eingeteilt werden: Chip-Zuverlässigkeit und Gehäuse-Zuverlässigkeit:

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Chip-Zuverlässigkeit

Zu den Testelementen im Zusammenhang mit der Chipzuverlässigkeit gehören ein Hochtemperatur-Blockierungstest, ein Hochtemperatur-Gittervorspannungstest, ein Hochspannungs-Hochtemperatur-Hochfeuchtigkeits-Blockierungstest und ein Leistungszyklustest (zweite Ebene).

Tabelle 2. Anforderungen für den Chip-Zuverlässigkeitstest

Da Automobilteile häufig rauen Wetterbedingungen ausgesetzt sind, muss sichergestellt werden, dass Automobilprodukte bei hohen Temperaturen, hoher Luftfeuchtigkeit und hohem Druck vor Korrosion oder Oxidation geschützt sind. Unter anderem basiert der Blockierungstest bei hoher Temperatur und hoher Luftfeuchtigkeit auf der von AEC-Q80 geforderten Spannung von 101 V. Da die Busspannung unter tatsächlichen Betriebsbedingungen jedoch viel höher als 80 V ist, wurde HV-H³ entwickelt. TRB-Test. Um den Blockierungstest bei hohen Temperaturen und hoher Luftfeuchtigkeit zu bestehen, sollte beim Chipdesign besonderes Augenmerk auf die Gestaltung der Passivierungsschicht gelegt werden.

Abbildung 2. Testergebnisse vor und nach der Optimierung der Passivierungsschicht

Der PCsec-Test dient dazu, die Änderung der Bonddraht- und Chip-Verbindungstemperatur zu simulieren, die durch Lastwechsel in der praktischen Anwendung verursacht wird. Das Testergebnis ist die Lebensdauer (Zykluszahl) unter bestimmten Temperaturanstiegsbedingungen. Während des Tests wurde ein zweiter Laststrom an das IGBT-Modul angelegt und die Temperatur des Kühlsystems so angepasst, dass die Sperrschichttemperatur die maximal zulässige Arbeitstemperatur erreichte. Dabei prüfen wir vor allem die Zuverlässigkeit der Verbindungsstelle zwischen Bonddraht und Chip sowie der Bondschicht zwischen IGBT-Chip und DCB. Die Testabschlussbedingung besteht darin, dass der Leitungsspannungsabfall 5 % des Anfangswerts überschreitet oder der thermische Widerstand des Systems 20 % des Anfangswerts überschreitet.

Abbildung 3. PC(sec)-Test- und Fehlerphänomen

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Verpackungszuverlässigkeit

Zu den Testpunkten im Zusammenhang mit der Gehäusezuverlässigkeit gehören mechanische Vibration/Schock, Ein-/Ausschaltzyklus (PCsec/PCmin), Temperaturschock, Temperaturzyklus (passiv), Lagerung bei hohen/niedrigen Temperaturen, Löttemperatur und Lötbarkeitstest.

Tabelle 3. Anforderungen an Paketzuverlässigkeitstests

In Bezug auf mechanische Vibrationen gibt es unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Anforderungen der Einbauposition an den Vibrationsgrad (Stärke) hier keine spezifische Grenze und der Vibrationsgrad sollte entsprechend der Einbauposition an der Fahrzeugkarosserie ausgewählt werden (siehe). GB/T 28046.3-2011). Mechanische Vibrationstests führen zum Reißen des Bindedrahts selbst, zum Lösen des Bindedrahts und anderer zugehöriger Anschlüsse sowie zum Reißen der Verpackungshülle usw. Daher müssen IGBT-Module den entsprechenden Schweregrad erfüllen.

Abbildung 4. Ausfall des Bindedrahtes durch mechanische Vibration

Der Hauptunterschied zwischen dem Power-Cycle-Test (PCsec/PCmin) und dem Temperatur-Cycle-/Shock-Test ist die Wärmequelle. Der Leistungszyklus erwärmt den Chip durch den Laststrom, während der Temperaturzyklus/Schock das gesamte Gehäuse durch die externe Wärmequelle erwärmt.

1. 
   

   Power Cycle (PCsec): Überprüfen Sie die Zuverlässigkeit des Verbindungspunkts zwischen Bonddraht und Chip und die Zuverlässigkeit der Bondschicht zwischen Chip und DCB.
   

2. Einschaltzyklus (PCmin): Überprüfen Sie die Zuverlässigkeit des Verbindungspunkts zwischen dem Bonddraht und dem Chip, die Zuverlässigkeit der Bondschicht zwischen Chip und DCB und die Zuverlässigkeit der Bondschicht zwischen DCB und Grundplatte.
   

3. Temperaturzyklus (TC): Erhitzen Sie das gesamte Paket langsam von der Unterseite der Grundplatte aus, um die Zuverlässigkeit der Verbindung zwischen Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten zu überprüfen.
   

4. Temperaturschock (TST): Bringen Sie das IGBT-Modul schnell (< 30 s) von einer Umgebung mit hoher (niedriger) Temperatur in eine Umgebung mit niedriger (hoher) Temperatur und prüfen Sie die Anpassungsfähigkeit des Moduls an den Zustand schneller Temperaturwechsel.

   
   

   
   

Abbildung 5. Schichtdiagramm des IGBT-Moduls

Beim Hoch-Tief-Temperatur-Lagertest wird die Mindestlagerzeit des IGBT-Moduls in einer bestimmten Temperaturumgebung berücksichtigt. Für den Signal-Pin am IGBT-Modul werden Schweißtemperatur und Lötbarkeit vorgeschlagen, und der Signal-Pin zum Crimpen sollte auch die Lötbarkeitsanforderungen erfüllen.

Schließlich ist QC/T 1136-2020 ein empfohlener Standard für Umweltzuverlässigkeitstests von IGBT-Modulen für Kraftfahrzeuge, der Testelemente und Anforderungen in Bezug auf die Chipzuverlässigkeit und die Gehäusezuverlässigkeit in Modulen umfasst. Yingling verfügt über langjährige praktische Erfahrung in der Leistungshalbleiterindustrie und ist bestrebt, unseren Kunden hochzuverlässige Automobilprodukte anzubieten.

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