车规IGBT模块封装趋势

电动汽车近几年的蓬勃发展带动了功率模块封装技术的更新迭代

目前电动汽车主逆变器功率半导体技术，代表着中等功率模块技术的先进水平；电动车应用对功率半导体（目前主要为IGBT）模块的要求较高，总的来说：

• 高可靠性
• 高功率密度
• 成本优势

要想搞清楚并且形象化电动汽车上用的功率模块到底追求什么，不妨先看看现在市场上应用的状况，正所谓八仙过海，各显神通

目前汽车厂商主流的几种模块应用解决方案，大概分为以下几种：

分立器件 ；1 in 1；2in1 ；6in1；All in 1

（这里4in1主逆变器用的少，先不说）

下边，挨个捋一下：

• 分立器件：

典型案例：Tesla Model X等

设计非常经典巧妙，IGBT单管夹在散热水道两边，立体式设计节省空间；并且方便叠层母排布局，减小杂散电感；

优点：成本低，集成度高，通用产品；

缺点：设计复杂，热阻较大，散热效率不高

• 1 in 1

典型案例一 ：Tesla Model 3(图片|配置|询价)

比较新颖的封装形式，1 in 1这个名字很奇怪，为什么这种封装看起来像分立器件却被称为模块，直接叫分立器件不就完了。其实这种说法的原因是其采用了模块的封装技术

Model 3 单个小模块包含一个开关，内部两个SiC芯片并联，使用时多个小模块并联

优点：散热效率高，设计布局灵活

缺点：量产工艺要求很高

典型案例二 ：德尔福Viper

双面水冷散热Viper让德尔福在小型化上尝到了不少甜头，除了双面水冷之外，这款模块还取消了绑定线设计，提升了循环可靠性

使用时，采用双面水冷典型的夹心饼干散热模式，非常诱人

• 2in1 模块

包含两种：

一种是灌胶模块封装，早期应用较多，例如下边这种，工业上也比较常见

第二种是塑封，也是国际上有经验的厂商倾向于选择的形式，一方面功率密度较大，便于小型化设计；另一方面具有一定的成本优势

早期使用单面间接水冷的半桥模块，博世产品上可以看到，后续主要的发展方向是双面水冷和单面直接水冷

以丰田普锐斯4代PCU为例，摒弃之前的All-in-1结构，采用双面水冷半桥模块“插卡”式结构，设计巧妙的同时，极大提升散热效率，由此提升系统功率密度

双面水冷内部结构：

优点: 结构紧凑，散热效率高，塑封的可靠性高

缺点：没有集成散热绝缘陶瓷，设计时跟散热器之前需要加隔离垫片

• 6 in 1

目前应用最广泛的模块，尤其是国内汽车厂商，设计相对简单

说到这，不能不提英飞凌的明星产品：HP Drive

Pin-Fin设计直接散热底板，显著提高功率模块散热效率，提高模块的功率密度，再加上模块化设计简单，很快在汽车领域风靡开来

优点：设计简单，功率密度高，应用门槛低

缺点：成本高

针对Pin-Fin针翅成本高的问题，模块厂商正在开发低成本的直接水冷板，例如英飞凌的wave散热底板，在成本和散热性能之间做了折中

• All in 1

典型应用：丰田普锐斯系列

以普锐斯第三代PCU为例，这款电装为丰田定制的功率系统，所有的IGBT和Diode被集成到一个AlN陶瓷板上，外观上看像一个大的功率模块

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趋势

1） 6 in 1模块

虽然6In1模块对汽车来说并不是最优设计，但由于其设计应用的方便性，在短期内还将占据主流，技术上主要会在散热技术和可靠性尚下功夫

改进点：

• 高导热陶瓷材料的应用，例如主流的Al2O3陶瓷更新Si3N4陶瓷
• 高可靠材料底板的应用，例如高机械性能铝硅碳底板代替铜底板
• 银烧结技术的使用（Die与DBC、DBC与散热板）
• 铜绑定线乃至铜带绑定技术

2） 双面水冷封装

双面水冷封装技术的优点一方面提升散热效率，另一方面夹心式的散热系统设计易于拓展，同时，相对于硅胶灌封模块，塑封的半桥模块又具有一定的量产成本优势

相信未来一段时间会成为一个主流方向

半桥

单管

3） 单面直接水冷封装

丹佛斯在PCIM Europe 2017上展示的Shower Power 3D技术，据称比Pin-Fin的散热能力还要优秀

4） 双面直接水冷封装

如日立的插式双面水冷散热，已在奥迪e-tron量产，理论上，这种形式的封装散热效果相对于单面直接水冷是显而易见的

各家模块厂商都有拿得出手的看家本领，不过多介绍

汽车对功率模块可靠性、功率密度的高要求，催生车规级模块封装技术的不断进步并量产落地，相信到碳化硅时代，适应于碳化硅的新型封装技术会成为一个新的方向