IGBT (w pełnej wersji nazywany tranzystorem bipolarnym z izolowaną bramką) to element półprzewodnikowy szeroko stosowany w przemyśle elektroniki mocy. Opisywany tutaj moduł to specyficzna forma opakowania, która jest nośnikiem układu IGBT i pełni rolę ochronną.

W ostatnich latach, wraz z dynamicznym rozwojem przemysłu samochodowego wykorzystującego nowe źródła energii, na rynku pojawia się coraz więcej produktów IGBT przeznaczonych do samochodów. Znajomość standardów półprzewodników stosowanych w przemyśle samochodowym może pogłębić zrozumienie charakterystyki urządzeń i pomóc programistom w wyborze odpowiednich produktów.

Standard półprzewodników

W ramach systemu standardów półprzewodników istnieją normy JEDEC (Wspólna Rada ds. Inżynierii Urządzeń Elektronowych), IEC (Międzynarodowa Komisja Elektrotechniczna) i inne.

Standard w branży motoryzacyjnej

W przemyśle motoryzacyjnym obowiązuje norma AEC (Automotive Electronics Council), a AQG324, specyfikacja testów niezawodności modułów IGBT w pojazdach, została opublikowana przez ECPE (Europejskie Centrum Elektroniki Mocy), na wczesnym etapie nosiła nazwę LV324 i została opracowana przez producentów samochodów Volkswagen, Audi, BMW, Porsche i Daimler.

Standard motoryzacyjny QC/T 1136 IGBT

Pod kierownictwem chińskiego CATARC, chińskie stowarzyszenie China FAW opracowało normę QC/T 1136-2020 „Wymagania dotyczące badań środowiskowych i metody badań modułów tranzystorów bipolarnych z izolowaną bramką dla pojazdów elektrycznych”, która została po raz pierwszy opublikowana 1 kwietnia 2021 r. Jest to pierwsza krajowa norma dotycząca modułów IGBT do pojazdów i służy do standaryzacji elementów testów niezawodności oraz wymagań dostawców półprzewodników w modułach IGBT. Jako członek grupy redakcyjnej, Infineon brał udział w opracowaniu normy.

Norma QC/T 1136-2020 określa wymagania i metody badań dotyczące adaptacji środowiskowej modułów IGBT przeznaczonych do pojazdów elektrycznych. Pełny tekst jest podzielony na osiem części, które obejmują przedmowę, zakres, normatywne dokumenty cytowań, terminy i definicje, symbole i skróty, wymagania dotyczące przystosowania do środowiska, metody badań i załącznik. Rozdział piąty to wymagania dotyczące adaptacji do środowiska (patrz tabela 1), a rozdział szósty to metoda badania. O ile nie określono inaczej, wszystkie badania przeprowadza się w następujących warunkach środowiskowych:

-Środowisko: +18 ℃ ~+28 ℃;
-Wilgotność względna: 45% ~ 75%;
-Ciśnienie atmosferyczne: 86 kPa ~ 106 kPa;
-Wysokość: nie więcej niż 1000 metrów. Jeżeli przekracza 1000 m, należy ją skorygować zgodnie z odpowiednimi przepisami GB/T18488.1-2015.

Tabela 1. Wymagania dotyczące testów środowiskowych QC/T 1136 i oznaczenia referencyjne modułu IGBT do zastosowań samochodowych

W tabeli 1 elementy testowe można podzielić na dwie kategorie: niezawodność chipa i niezawodność opakowania:

01

Niezawodność chipa

Elementy testowe związane z niezawodnością chipa obejmują test blokowania w wysokiej temperaturze, test polaryzacji sieci w wysokiej temperaturze, test blokowania pod wysokim napięciem, w wysokiej temperaturze i w wysokiej wilgotności oraz test cyklu zasilania (drugi poziom).

Tabela 2. Wymagania dotyczące testu niezawodności chipa

Biorąc pod uwagę, że części samochodowe są często narażone na trudne warunki pogodowe, konieczne jest zapewnienie ochrony produktów samochodowych przed korozją lub utlenianiem w wysokiej temperaturze, wysokiej wilgotności i wysokim ciśnieniu. Wśród nich test blokowania w wysokiej temperaturze i wysokiej wilgotności opiera się na napięciu 80 V wymaganym przez AEC-Q101, ale biorąc pod uwagę, że napięcie magistrali jest znacznie wyższe niż 80 V w rzeczywistych warunkach pracy, zaprojektowano HV-H3; Test TRB. Aby przejść test blokowania w wysokiej temperaturze i wysokiej wilgotności, należy zwrócić szczególną uwagę na konstrukcję warstwy pasywacyjnej w projektowaniu chipów.

Rysunek 2. Wyniki badań przed i po optymalizacji warstwy pasywacyjnej

Test PCsec ma na celu symulację zmiany temperatury drutu łączącego i złącza chipa spowodowanej zmianą obciążenia w praktycznym zastosowaniu, a wynikiem testu jest żywotność (liczba cykli) w określonych warunkach wzrostu temperatury. Podczas testu do modułu IGBT przyłożono drugi prąd obciążenia, a temperaturę układu chłodzenia wyregulowano tak, aby temperatura złącza osiągnęła maksymalną dopuszczalną temperaturę roboczą. W tym procesie testujemy przede wszystkim niezawodność punktu połączenia między przewodem łączącym a układem scalonym oraz warstwą łączącą między układem IGBT a DCB. Warunkiem zakończenia testu jest spadek napięcia przewodzenia przekraczający 5% wartości początkowej lub rezystancja cieplna układu przekraczająca 20% wartości początkowej.

Rysunek 3. Testowanie PC(s) i zjawisko awarii

02

Niezawodność opakowania

Elementy testowe związane z niezawodnością pakietu obejmują wibracje/wstrząsy mechaniczne, cykl zasilania (PCsec/PCmin), szok temperaturowy, cykl temperaturowy (pasywny), przechowywanie w wysokiej/niskiej temperaturze, temperaturę lutowania i test lutowności.

Tabela 3. Wymagania dotyczące testu niezawodności pakietu

W zakresie drgań mechanicznych, biorąc pod uwagę różnicę wymagań miejsca montażu w zakresie poziomu drgań (nasilenia), nie jest tu podany żaden konkretny limit, a poziom drgań należy dobierać w zależności od miejsca montażu na nadwoziu pojazdu (patrz GB/T 28046.3-2011). Test odporności na drgania mechaniczne może spowodować pęknięcie samego drutu wiążącego, poluzowanie drutu wiążącego i innych powiązanych złączy oraz pęknięcie obudowy opakowania itd. Dlatego moduły IGBT muszą spełniać odpowiedni poziom zagrożenia.

Rysunek 4. Awaria drutu wiążącego spowodowana drganiami mechanicznymi

Główną różnicą między testem cyklu zasilania (PCsec/PCmin) a testem cyklu temperatury/wstrząsu jest źródło ciepła. Cykl zasilania nagrzewa chip poprzez prąd obciążenia, podczas gdy cykl temperatury/wstrząs podgrzewa cały pakiet za pomocą zewnętrznego źródła ciepła.

1. 
   

   Cykl zasilania (PCsec): Sprawdź niezawodność punktu połączenia między przewodem łączącym a chipem oraz niezawodność warstwy wiążącej pomiędzy chipem a DCB.
   

2. Cykl zasilania (PCmin): sprawdź niezawodność punktu połączenia między przewodem łączącym a chipem, niezawodność warstwy łączącej między chipem a DCB oraz niezawodność warstwy łączącej pomiędzy DCB a płytą bazową.
   

3. Cykl temperaturowy (TC): powoli podgrzej cały pakiet od dołu płyty bazowej, aby sprawdzić niezawodność połączenia pomiędzy materiałami o różnych współczynnikach rozszerzalności cieplnej.
   

4. Szok temperaturowy (TST): szybko (<30 s) przenieś moduł IGBT ze środowiska o wysokiej (niskiej) temperaturze do środowiska o niskiej (wysokiej) temperaturze i sprawdź zdolność modułu do adaptacji w warunkach szybkich zmian temperatury.

   
   

   
   

Rysunek 5. Schemat warstwowy modułu IGBT

Test przechowywania w wysokiej i niskiej temperaturze ma na celu sprawdzenie minimalnego czasu przechowywania modułu IGBT w określonym środowisku temperaturowym. Podano temperaturę spawania i lutowalność dla pinu sygnałowego w module IGBT, a pin sygnałowy do zaciskania powinien również spełniać wymagania dotyczące lutowalności.

Wreszcie QC/T 1136-2020 to zalecana norma dotycząca testów niezawodności środowiskowej modułów IGBT w motoryzacji, obejmująca elementy testów i wymagania dotyczące niezawodności układów scalonych i obudów w modułach. Yingling zgromadziła wieloletnie praktyczne doświadczenie w branży półprzewodników mocy i jest zaangażowana w dostarczanie naszym klientom produktów motoryzacyjnych o wysokiej niezawodności.

Zastrzeżenie: Ten artykuł jest reprodukowany z „Infineon Automotive Electronics Ecphere”. Ten artykuł przedstawia wyłącznie osobiste poglądy autora i nie reprezentuje poglądów Sacco Micro ani branży. Służy wyłącznie do ponownego drukowania i udostępniania w celu wspierania ochrony praw własności intelektualnej. Przy przedruku proszę podać oryginalne źródło i autora. Jeśli doszło do naruszenia, skontaktuj się z nami, aby je usunąć.

Tel firmy: +86-0755-83044319
Faks/faks:+86-0755-83975897
E-mail: 1615456225@qq.com
QQ: 3518641314 Menedżer Li
QQ: 332496225 Menedżer Qiu
Adres: pokój 809, blok C, budynek Zhantao Technology, nr 1079 Minzhi Avenue, Longhua New District, Shenzhen