IGBT, llamado transistor bipolar de puerta aislada, es un dispositivo semiconductor ampliamente utilizado en la industria de la electrónica de potencia. El módulo que aquí se describe es un formato de embalaje específico que es el portador del chip IGBT y cumple una función protectora.

En los últimos años, con el vigoroso desarrollo de la industria automotriz de nueva energía, han surgido cada vez más productos IGBT para automóviles. Conocer los estándares de semiconductores de la industria automotriz puede profundizar la comprensión de las características de los dispositivos y ayudar a los desarrolladores a elegir los productos adecuados.

Estándar de semiconductores

Dentro del sistema de estándares de semiconductores, existen JEDEC (Consejo Conjunto de Ingeniería de Dispositivos Electrónicos), IEC (Comisión Electrotécnica Internacional) y otros estándares.

Estándar de la industria del automóvil

En la industria automotriz, existe el estándar AEC (Automotive Electronics Council), y AQG324, la especificación de prueba de confiabilidad para módulos IGBT en vehículos, fue publicada por ECPE (Centro Europeo de Electrónica de Potencia), llamada LV324 en la etapa inicial, y compilada por los fabricantes de automóviles Volkswagen, Audi, BMW, Porsche y Daimler.

Estándar IGBT automotriz QC/T 1136

Liderado por CATARC en China, China FAW elaboró ​​la norma QC/T 1136-2020 "Requisitos y métodos de prueba ambientales para módulos de transistores bipolares de puerta aislada para vehículos eléctricos", publicada por primera vez el 1 de abril de 2021. Se trata de la primera norma nacional para módulos IGBT en vehículos y se utiliza para estandarizar los elementos de prueba de fiabilidad y los requisitos de los proveedores de semiconductores en módulos IGBT. Como miembro del grupo de redacción, Infineon participó en la formulación de la norma.

QC/T 1136-2020 especifica los requisitos y métodos de prueba de adaptabilidad ambiental de los módulos IGBT para vehículos eléctricos. El texto completo está dividido en ocho partes, que son prefacio, alcance, documentos de citación normativa, términos y definiciones, símbolos y abreviaturas, requisitos de adaptabilidad ambiental, métodos de prueba y apéndice. El quinto capítulo son los requisitos de adaptabilidad ambiental (ver Tabla 1) y el sexto capítulo es el método de prueba. A menos que se especifique lo contrario, todos los ensayos se llevarán a cabo en las siguientes condiciones ambientales:

-Medio ambiente:+18℃ ~+28℃;
-Humedad relativa: 45% ~ 75%;
-Presión atmosférica: 86 kPa ~ 106 kPa;
-Altitud: no más de 1000 metros. Si supera los 1000 m, se corregirá de acuerdo con las disposiciones pertinentes de GB/T18488.1-2015.

Tabla 1. Requisitos de pruebas ambientales QC/T 1136 y marcado de referencia del módulo IGBT automotriz

En la Tabla 1, los elementos de la prueba se pueden clasificar en dos categorías: confiabilidad del chip y confiabilidad del paquete, entre las cuales:

01

Fiabilidad del chip

Los elementos de prueba relacionados con la confiabilidad del chip incluyen prueba de bloqueo de alta temperatura, prueba de polarización de red de alta temperatura, prueba de bloqueo de alto voltaje, alta temperatura, alta humedad y prueba de ciclo de energía (segundo nivel).

Tabla 2. Requisitos para la prueba de confiabilidad del chip

Teniendo en cuenta que las piezas de automóviles a menudo están expuestas a condiciones climáticas adversas, es necesario garantizar que los productos del automóvil estén protegidos de la corrosión u oxidación bajo altas temperaturas, alta humedad y alta presión. Entre ellos, la prueba de bloqueo por alta temperatura y alta humedad se basa en el voltaje de 80 V requerido por AEC-Q101, pero considerando que el voltaje del bus es mucho mayor que 80 V en condiciones de funcionamiento reales, se diseña HV-H³; Prueba TRB. Para pasar la prueba de bloqueo por alta temperatura y alta humedad, se debe prestar especial atención al diseño de la capa de pasivación en el diseño del chip.

Figura 2. Resultados de las pruebas antes y después de optimizar la capa de pasivación

La prueba PCsec sirve para simular el cambio de temperatura del cable de unión y de la unión del chip causado por el cambio de carga en una aplicación práctica, y el resultado de la prueba es la vida útil (número de ciclo) bajo una condición específica de aumento de temperatura. Durante la prueba, se aplicó una segunda corriente de carga al módulo IGBT y se ajustó la temperatura del sistema de enfriamiento para que la temperatura de la unión alcanzara la temperatura de trabajo máxima permitida. En este proceso, probamos principalmente la confiabilidad del punto de conexión entre el cable de unión y el chip y la capa de unión entre el chip IGBT y el DCB. La condición de terminación de la prueba es que la caída de voltaje de conducción exceda el 5% del valor inicial o que la resistencia térmica del sistema exceda el 20% del valor inicial.

Figura 3. Fenómeno de falla y prueba de PC (seg)

02

Confiabilidad de empaque

Los elementos de prueba relacionados con la confiabilidad del paquete incluyen vibración/choque mecánico, ciclo de energía (PCsec/PCmin), choque de temperatura, ciclo de temperatura (pasivo), almacenamiento a temperatura alta/baja, temperatura de soldadura y prueba de soldabilidad.

Tabla 3. Requisitos de prueba de confiabilidad del paquete

En términos de vibración mecánica, considerando la diferencia de los requisitos de la posición de instalación en el nivel de vibración (severidad), aquí no se proporciona ningún límite específico, y el nivel de vibración debe seleccionarse de acuerdo con la posición de instalación en la carrocería del vehículo (consulte GB/T 28046.3-2011). La prueba de vibración mecánica provocará el agrietamiento del propio cable de unión, el aflojamiento del cable de unión y otros conectores relacionados y el agrietamiento de la carcasa del embalaje, etc. Por lo tanto, los módulos IGBT deben cumplir con el nivel de severidad correspondiente.

Figura 4. Fallo del alambre de atar causado por vibración mecánica

La principal diferencia entre la prueba de ciclo de energía (PCsec/PCmin) y la prueba de ciclo de temperatura/choque es la fuente de calor. El ciclo de energía calienta el chip a través de la corriente de carga, mientras que el ciclo/choque de temperatura calienta todo el paquete mediante la fuente de calor externa.

1. 
   

   Ciclo de energía (PCsec): verifique la confiabilidad del punto de conexión entre el cable de unión y el chip y la confiabilidad de la capa de unión entre el chip y DCB.
   

2. Ciclo de energía (PCmin): verifique la confiabilidad del punto de conexión entre el cable de unión y el chip, la confiabilidad de la capa de unión entre el chip y DCB y la confiabilidad de la capa de unión entre DCB y la placa base.
   

3. Ciclo de temperatura (TC): caliente lentamente todo el paquete desde la parte inferior de la placa base para comprobar la fiabilidad de la conexión entre materiales con diferentes coeficientes de expansión térmica.
   

4. Choque de temperatura (TST): coloque rápidamente (<30 s) el módulo IGBT de un entorno de alta temperatura (baja temperatura) a un entorno de baja temperatura (alta temperatura) y verifique la adaptabilidad del módulo en el escenario de alternancia rápida de temperatura.

   
   

   
   

Figura 5. Diagrama de capas del módulo IGBT

La prueba de almacenamiento a temperatura alta-baja tiene como objetivo considerar el tiempo mínimo de almacenamiento del módulo IGBT en un entorno de temperatura específico. Se proponen la temperatura de soldadura y la soldabilidad para el pin de señal en el módulo IGBT, y el pin de señal para engarce también debe cumplir con los requisitos de soldabilidad.

Finalmente, QC/T 1136-2020 es un estándar recomendado para la prueba de confiabilidad ambiental de módulos IGBT automotrices, que incluye elementos de prueba y requisitos relacionados con la confiabilidad del chip y la confiabilidad del paquete en los módulos. Yingling ha acumulado muchos años de experiencia práctica en la industria de semiconductores de potencia y está comprometida a brindar a nuestros clientes productos automotrices de alta confiabilidad.

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