L'IGBT, più comunemente noto come transistor bipolare a gate isolato, è un dispositivo a semiconduttore ampiamente utilizzato nel settore dell'elettronica di potenza. Il modulo qui descritto è una forma di imballaggio specifica, che funge da supporto per il chip IGBT e svolge una funzione protettiva.

Negli ultimi anni, con il vigoroso sviluppo dell'industria automobilistica basata sulle nuove energie, sono emersi sempre più prodotti IGBT per il settore automobilistico. Conoscere gli standard dei semiconduttori dell'industria automobilistica può approfondire la comprensione delle caratteristiche dei dispositivi e aiutare gli sviluppatori a scegliere i prodotti adatti.

Norma sui semiconduttori

All'interno del sistema standard dei semiconduttori, ci sono JEDEC (Joint Electron Device Engineering Council), IEC (International Electrotechnical Commission) e altri standard.

Standard dell'industria automobilistica

Nel settore automobilistico esiste lo standard AEC (Automotive Electronics Council) e AQG324, la specifica di prova di affidabilità per i moduli IGBT sui veicoli, pubblicata dall'ECPE (European Center for Power Electronics), denominata LV324 nella fase iniziale e compilata dai produttori di automobili Volkswagen, Audi, BMW, Porsche e Daimler.

Standard IGBT per autoveicoli QC/T 1136

Guidato da CATARC in Cina, China FAW ha redatto il QC/T 1136-2020 Environmental Test Requirements and Test Methods for Insulated Gate Bipolar Transistor Modules for Electric Vehicles, pubblicato per la prima volta il 1° aprile 2021. Si tratta del primo standard nazionale per i moduli IGBT per veicoli e viene utilizzato per standardizzare gli elementi di prova e i requisiti di affidabilità dei fornitori di semiconduttori nei moduli IGBT. Infineon ha partecipato alla formulazione dello standard in qualità di membro del gruppo di redazione.

QC/T 1136-2020 specifica i requisiti e i metodi di prova dell'adattabilità ambientale dei moduli IGBT per veicoli elettrici. Il testo completo è diviso in otto parti, che sono prefazione, ambito di applicazione, documenti di citazione normativa, termini e definizioni, simboli e abbreviazioni, requisiti di adattabilità ambientale, metodi di prova e appendice. Il quinto capitolo riguarda i requisiti di adattabilità ambientale (vedere Tabella 1) e il sesto capitolo riguarda il metodo di prova. Se non diversamente specificato, tutte le prove dovranno essere eseguite nelle seguenti condizioni ambientali:

-Ambiente:+18℃ ~+28℃;
-Umidità relativa: 45% ~ 75%;
-Pressione atmosferica: 86 kPa ~ 106 kPa;
-Altitudine: non più di 1000 metri. Se supera i 1000 m, dovrà essere corretto secondo le disposizioni pertinenti di GB/T18488.1-2015.

Tabella 1. Requisiti dei test ambientali QC/T 1136 e marcatura di riferimento del modulo IGBT per autoveicoli

Nella Tabella 1, gli elementi del test possono essere classificati in due categorie: affidabilità del chip e affidabilità del pacchetto, tra cui:

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Affidabilità del chip

Gli elementi di test relativi all'affidabilità del chip includono test di blocco ad alta temperatura, test di polarizzazione della rete ad alta temperatura, test di blocco ad alta tensione, alta temperatura e umidità elevata e test del ciclo di alimentazione (secondo livello).

Tabella 2. Requisiti per il test di affidabilità del chip

Considerando che le parti delle automobili sono spesso esposte a condizioni atmosferiche avverse, è necessario garantire che i prodotti automobilistici siano protetti dalla corrosione o dall'ossidazione ad alta temperatura, elevata umidità e alta pressione. Tra questi, il test di blocco ad alta temperatura e alta umidità si basa sulla tensione di 80 V richiesta da AEC-Q101, ma considerando che la tensione del bus è molto superiore a 80 V nelle condizioni operative effettive, è stato progettato HV-H³; Prova TRB. Per superare il test di blocco ad alta temperatura e umidità elevata, è necessario prestare particolare attenzione alla progettazione dello strato di passivazione nella progettazione del chip.

Figura 2. Risultati dei test prima e dopo l'ottimizzazione dello strato di passivazione

Il test PCsec serve a simulare la variazione della temperatura del filo di collegamento e della giunzione del chip causata dalla variazione del carico nell'applicazione pratica e il risultato del test è la durata (numero di cicli) in condizioni specifiche di aumento della temperatura. Durante il test, è stata applicata una seconda corrente di carico al modulo IGBT e la temperatura del sistema di raffreddamento è stata regolata per far sì che la temperatura di giunzione raggiungesse la temperatura di esercizio massima consentita. In questo processo testiamo principalmente l'affidabilità del punto di connessione tra il filo di collegamento e il chip e lo strato di collegamento tra il chip IGBT e il DCB. La condizione di conclusione del test è che la caduta di tensione di conduzione superi il 5% del valore iniziale o che la resistenza termica del sistema superi il 20% del valore iniziale.

Figura 3. Test PC(sec) e fenomeno di errore

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Affidabilità dell'imballaggio

Gli elementi di test relativi all'affidabilità del pacchetto includono vibrazioni/shock meccanici, ciclo di alimentazione (PCsec/PCmin), shock termico, ciclo termico (passivo), conservazione ad alta/bassa temperatura, temperatura di saldatura e test di saldabilità.

Tabella 3. Requisiti del test di affidabilità del pacchetto

In termini di vibrazioni meccaniche, considerando la differenza dei requisiti della posizione di installazione sul livello di vibrazione (gravità), non viene fornito alcun limite specifico e il livello di vibrazione dovrebbe essere selezionato in base alla posizione di installazione sulla carrozzeria del veicolo (fare riferimento a GB/T28046.3-2011). Il test di vibrazione meccanica provocherà la rottura del filo di collegamento stesso, l'allentamento del filo di collegamento e di altri connettori correlati e la rottura dell'involucro dell'imballaggio, ecc. Pertanto, i moduli IGBT devono soddisfare il livello di severità pertinente.

Figura 4. Rottura del filo di legatura causata da vibrazioni meccaniche

La differenza principale tra il test del ciclo di alimentazione (PCsec/PCmin) e il test del ciclo di temperatura/shock è la fonte di calore. Il ciclo di accensione riscalda il chip attraverso la corrente di carico, mentre il ciclo di temperatura/shock riscalda l'intero pacchetto tramite la fonte di calore esterna.

1. 
   

   Ciclo di alimentazione (PCsec): verificare l'affidabilità del punto di connessione tra il filo di collegamento e il chip e l'affidabilità dello strato di collegamento tra il chip e il DCB.
   

2. Ciclo di alimentazione (PCmin): verificare l'affidabilità del punto di connessione tra il filo di collegamento e il chip, l'affidabilità dello strato di collegamento tra il chip e DCB e l'affidabilità dello strato di collegamento tra DCB e piastra base.
   

3. Ciclo termico (TC): riscaldare lentamente l'intero pacchetto dal fondo del Baseplate per verificare l'affidabilità della connessione tra materiali con diversi coefficienti di dilatazione termica.
   

4. Shock termico (TST): posizionare rapidamente (< 30 s) il modulo IGBT da un ambiente ad alta temperatura (bassa temperatura) a un ambiente a bassa temperatura (alta temperatura) e verificare l'adattabilità del modulo in condizioni di rapida alternanza della temperatura.

   
   

   
   

Figura 5. Diagramma di stratificazione del modulo IGBT

Il test di conservazione ad alta e bassa temperatura consiste nel considerare il tempo minimo di conservazione del modulo IGBT in un ambiente con temperatura specifica. Per il pin del segnale sul modulo IGBT vengono proposti la temperatura di saldatura e la saldabilità; anche il pin del segnale per la crimpatura deve soddisfare i requisiti di saldabilità.

Infine, QC/T 1136-2020 è uno standard raccomandato per i test di affidabilità ambientale dei moduli IGBT per autoveicoli, che include elementi di prova e requisiti relativi all'affidabilità dei chip e all'affidabilità del package nei moduli. Yingling ha accumulato molti anni di esperienza pratica nel settore dei semiconduttori di potenza e si impegna a fornire ai nostri clienti prodotti automobilistici ad alta affidabilità.

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