IGBT, também conhecido como transistor bipolar de porta isolada, é um dispositivo semicondutor amplamente utilizado na indústria de eletrônica de potência. O módulo descrito aqui é uma forma de embalagem específica, que é o portador do chip IGBT e desempenha uma função protetora.

Nos últimos anos, com o vigoroso desenvolvimento da indústria automobilística de novas energias, cada vez mais produtos IGBT automotivos surgiram. Conhecer os padrões de semicondutores da indústria automobilística pode aprofundar a compreensão das características dos dispositivos e ajudar os desenvolvedores a escolher produtos adequados.

Padrão de semicondutor

Dentro do sistema padrão de semicondutores, existem JEDEC (Joint Electron Device Engineering Council), IEC (International Electrotechnical Commission) e outros padrões.

Padrão da indústria automobilística

Na indústria automotiva, existe o padrão AEC (Automotive Electronics Council), e o AQG324, a especificação de teste de confiabilidade para módulos IGBT em veículos, foi publicada pelo ECPE (Centro Europeu de Eletrônica de Potência), chamada de LV324 no estágio inicial e compilada pelos fabricantes de automóveis Volkswagen, Audi, BMW, Porsche e Daimler.

QC/T 1136 Padrão IGBT automotivo

Liderada pela CATARC na China, a China FAW elaborou o QC/T 1136-2020, "Requisitos e Métodos de Teste Ambiental para Módulos de Transistor Bipolar de Porta Isolada para Veículos Elétricos", publicado pela primeira vez em 1º de abril de 2021. Trata-se da primeira norma nacional para módulos IGBT para veículos e é usada para padronizar os itens de teste de confiabilidade e os requisitos de fornecedores de semicondutores para módulos IGBT. Como membro do grupo de redação, a Infineon participou da formulação da norma.

QC/T 1136-2020 especifica os requisitos e métodos de teste de adaptabilidade ambiental de módulos IGBT para veículos elétricos. O texto completo está dividido em oito partes, que são prefácio, escopo, documentos de citação normativa, termos e definições, símbolos e abreviações, requisitos de adaptabilidade ambiental, métodos de teste e apêndice. O quinto capítulo são os requisitos de adaptabilidade ambiental (ver Tabela 1), e o sexto capítulo é o método de teste. Salvo especificação em contrário, todos os ensaios serão realizados nas seguintes condições ambientais:

-Ambiente:+18℃ ~+28℃;
-Umidade relativa: 45% ~ 75%;
-Pressão atmosférica: 86 kPa ~ 106 kPa;
-Altitude: não mais que 1000 metros. Se exceder 1000m, deverá ser corrigido de acordo com as disposições relevantes de GB/T18488.1-2015.

Tabela 1. Requisitos de teste ambiental QC/T 1136 e marcação de referência do módulo IGBT automotivo

Na Tabela 1, os itens de teste podem ser classificados em duas categorias: confiabilidade do chip e confiabilidade do pacote, entre as quais:

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Confiabilidade do chip

Os itens de teste relacionados à confiabilidade do chip incluem teste de bloqueio de alta temperatura, teste de polarização de grade de alta temperatura, teste de bloqueio de alta tensão, alta temperatura e alta umidade e teste de ciclo de energia (segundo nível).

Tabela 2. Requisitos para teste de confiabilidade de chip

Considerando que as peças automotivas estão frequentemente expostas a condições climáticas adversas, é necessário garantir que os produtos automotivos sejam protegidos contra corrosão ou oxidação sob altas temperaturas, alta umidade e alta pressão. Entre eles, o teste de bloqueio de alta temperatura e alta umidade é baseado na tensão de 80V exigida pelo AEC-Q101, mas considerando que a tensão do barramento é muito superior a 80V em condições reais de operação, é projetado HV-H³; Teste TRB. Para passar no teste de bloqueio de alta temperatura e alta umidade, atenção especial deve ser dada ao projeto da camada de passivação no projeto do chip.

Figura 2. Resultados dos testes antes e depois da otimização da camada de passivação

O teste PCsec visa simular a mudança na temperatura da junção do fio e do chip causada pela mudança de carga na aplicação prática, e o resultado do teste é a vida útil (número do ciclo) sob condições específicas de aumento de temperatura. Durante o teste, uma segunda corrente de carga foi aplicada ao módulo IGBT, e a temperatura do sistema de resfriamento foi ajustada para fazer a temperatura da junção atingir a temperatura de trabalho máxima permitida. Neste processo, testamos principalmente a confiabilidade do ponto de conexão entre o fio de ligação e o chip e a camada de ligação entre o chip IGBT e o DCB. A condição de término do teste é que a queda de tensão de condução exceda 5% do valor inicial ou a resistência térmica do sistema exceda 20% do valor inicial.

Figura 3. Teste de PC(s) e fenômeno de falha

02

Confiabilidade da embalagem

Os itens de teste relacionados à confiabilidade do pacote incluem vibração/choque mecânico, ciclo de energia (PCsec/PCmin), choque de temperatura, ciclo de temperatura (passivo), armazenamento em alta/baixa temperatura, temperatura de soldagem e teste de soldabilidade.

Tabela 3. Requisitos de teste de confiabilidade do pacote

Em termos de vibração mecânica, considerando a diferença dos requisitos da posição de instalação no nível de vibração (severidade), nenhum limite específico é dado aqui, e o nível de vibração deve ser selecionado de acordo com a posição de instalação na carroceria do veículo (consulte GB/T 28046.3-2011). O teste de vibração mecânica causará rachaduras no próprio fio de ligação, afrouxamento do fio de ligação e de outros conectores relacionados, além de rachaduras na carcaça da embalagem, etc. Portanto, os módulos IGBT devem atender ao nível de severidade relevante.

Figura 4. Falha no fio de ligação causada por vibração mecânica

A principal diferença entre o teste de ciclo de potência (PCsec/PCmin) e o teste de ciclo/choque de temperatura é a fonte de calor. O ciclo de energia aquece o chip através da corrente de carga, enquanto o ciclo/choque de temperatura aquece todo o pacote pela fonte de calor externa.

1. 
   

   Ciclo de alimentação (PCsec): Verifique a confiabilidade do ponto de conexão entre o fio de ligação e o chip e a confiabilidade da camada de ligação entre o chip e o DCB.
   

2. Ciclo de potência (PCmin): verifique a confiabilidade do ponto de conexão entre o fio de ligação e o chip, a confiabilidade da camada de ligação entre o chip e o DCB e a confiabilidade da camada de ligação entre o DCB e a placa de base.
   

3. Ciclo de temperatura (TC): aqueça lentamente toda a embalagem a partir da parte inferior da placa de base para verificar a confiabilidade da conexão entre materiais com diferentes coeficientes de expansão térmica.
   

4. Choque de temperatura (TST): coloque rapidamente (< 30s) o módulo IGBT de um ambiente de alta temperatura (baixa temperatura) para um ambiente de baixa temperatura (alta temperatura) e verifique a adaptabilidade do módulo em cenários de rápida alternância de temperatura.

   
   

   
   

Figura 5. Diagrama de camadas do módulo IGBT

O teste de armazenamento em alta e baixa temperatura visa considerar o tempo mínimo de armazenamento do módulo IGBT em um ambiente de temperatura específica. A temperatura de soldagem e a soldabilidade são propostas para o pino de sinal no módulo IGBT, e o pino de sinal para crimpagem também deve atender aos requisitos de soldabilidade.

Por fim, o QC/T 1136-2020 é um padrão recomendado para testes de confiabilidade ambiental de módulos IGBT automotivos, que inclui itens de teste e requisitos relacionados à confiabilidade do chip e da embalagem em módulos. Yingling acumulou muitos anos de experiência prática na indústria de semicondutores de potência e está comprometida em fornecer aos nossos clientes produtos automotivos de alta confiabilidade.

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