前言

根據乘聯會數據，2022年6月新能源車國內零售滲透率27.4%，并且2022年6月29日歐盟對外宣布，歐盟27個成員國已經初步達成一致，歐洲將于2035年禁售燃油車。市場越來越景氣，同時國內近期新發布的新能源車型也百花齊放。不論是普通消費者，還是新能源汽車產業相關從業者，也逐漸深入關注研究新能源車的一些核心部件，尤其是功率器件IGBT模塊，本文科普一下電驅動中IGBT及其常用的鍵合線材料特性。 ? ? ?

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電驅動系統工作原理

要弄明白IGBT模塊，就要先了解新能源汽車的電驅系統，先用一句話概括電驅系統如何工作：在駕駛新能源汽車時，電機控制器把動力電池放出的直流電（DC）變為交流電（AC）（這個過程即逆變），讓驅動電機工作，電機將電能轉換成機械能，再通過傳動系統（主要是減速器）讓汽車的輪子跑起來。反過來，把車輪的機械能轉換存儲到電池的過程就是動能回收。

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? 電驅動系統組成 ? ? ?

三電系統，即動力電池（簡稱電池）、驅動電機（簡稱電機）、電機控制器（簡稱電控），也被人們成為三大件，加起來約占新能源車總成本的70%以上，是決定整車運動性能核心的組件。

電驅系統，我們一般簡單把電機、電控、減速器，合稱為電驅系統。

但嚴格定義上講，電驅動系統包括三大總成：驅動電機總成（將動力電池的電能轉化為旋轉的機械能，是輸出動力的來源）、控制器總成（基于功率半導體的硬件及軟件設計，對驅動電機的工作狀態進行實時控制，并持續豐富其他控制功能）、傳動總成（通過齒輪組降低輸出轉速提高輸出扭矩，以保證電驅動系統持續運行在高效區間）。

圖：電驅系統示意圖?

IGBT模塊工作原理

在電控模塊中，IGBT模塊是逆變器的最核心部件，總結其工作原理：通過非通即斷的半導體特性，不考慮過渡過程和寄生效應，我們將單個IGBT芯片看做一個理想的開關。我們在模塊內部搭建起若干個IGBT芯片單元的并串聯結構，當直流電通過模塊時，通過不同開關組合的快速開斷，來改變電流的流出方向和頻率，從而輸出得到我們想要的交流電。

圖：IGBT逆變原理 ??

IGBT芯片中常用鍵合線材料特性大全

IGBT芯片與芯片的電極端子間，IGBT芯片電極端子與二極管芯片間，芯片電極端子與絕緣襯板間一般通過引線鍵合技術進行電氣連接。通過鍵合線使芯片間構成互連，形成回路。引線鍵合是IGBT功率器件內部實現電氣互連的主要方式之一。隨著制造工藝的快速發展，許多金屬鍵合線被廣泛的應用到IGBT功率模塊互連技術中。目前，常用的鍵合線有鋁線、金線、銀線、銅線、鋁帶、銅片和鋁包銅線等。表1是引線鍵合技術中常用材料的性能。

表1 引線鍵合工藝中常用鍵合線的材料屬性

鋁線鍵合

鋁線鍵合是目前工業上應用最廣泛的一種芯片互連技術，鋁線鍵合技術工藝十分成熟，且價格低廉。鋁線根據直徑的不同分為細錫線和粗鋁線兩種，直徑小于100um的鋁線被稱為細鋁線，直徑大于100um小于500um的鋁線被稱為粗鋁線。

? ?粗鋁線的載流能力比細鋁線強，直徑為500um的粗鋁線可承受直流約為23A的電流。 ? 鋁的熱膨脹系數為23×10-6K-1，與硅芯片的熱膨脹系數相差較大，在長時間的功率循環過程中會在封裝體內積累熱量，使模塊溫度升高，產生并積累熱應力。很容易使鍵合引線斷裂或鍵合接觸表面脫落，最終導致模塊的整體失效。在通流能力要求較高的情況下，引線的數目過于龐大，會造成鍵合接觸表面產生裂紋。??

為了提高鍵合引線的載流能力，鋁帶鍵合技術逐步發展起來，相比于鋁線鍵合，鋁帶的橫截面積大，可靠性高，不但提高了整體的通流能力，避免由于髙頻工作時造成的集膚效應，而且還有效地減小了封裝體的厚度。表面積較大，散熱效果也比鋁線要好。鋁帶鍵合由于導電性能好，寄生電感小，在頻率高，電流大的工作情況下應用較為廣泛，其缺點是不能大角度彎曲。??

銅線鍵合

銅線比鋁線的電阻率低，導電性能好，熱導率比鋁線高，散熱性能好。現在功率模塊大多追求小體積、高功率密度和快散熱，銅線鍵合技術得到了廣泛的應用。圖3所示為銅線鍵合實物和銅帶鍵合實物。 ? ? ?

銅線的通流能力強，直徑400um的銅線可以承受直流約32.5A的電流，比鋁線的載流能力提高了71%。銅線鍵合技術的缺點也十分明顯。由于芯片表面多為鋁合金，銅線在鍵合前需要在芯片表面進行電銀或者沉積，不但增加了成本，而且增加了在生產過程中復雜程度。銅材料的熱膨脹系數較大，與芯片不匹配，在功率循環工作條件下，產生的熱應力累積，容易使鍵合引線脫落或芯片表面產生裂痕。

鋁包銅線鍵合

綜合考慮鋁線與銅線的優缺點，研發人員研制了一種新型鍵合線，在銅線外層包裹一層厚度約為25~35um的鋁。鋁包銅線如圖4所示，由于其表面為鋁材料，在鍵合時不需要事先對芯片表面進行化學電鍍處理，提高了系統的可靠性。鋁包銅線的導電性能和導熱性能均比鋁線要好，增加了鍵合引線的可靠性，提高了IGBT功率模塊的使用壽命。

金線鍵合

金線鍵合技術主要應用在集成度較高的IC芯片封裝中，金線的熱導率較高，散熱效果好，電阻率比鋁線低，導電性強。金線的膨脹系數為14.2×10-6K-1，為所有常用鍵合金屬材料中最低的，與硅芯片的匹配性較其他鍵合材料要好。但由于其價格過于昂貴，限制了其在半導體封裝中的廣泛應用。 ? ? ??

銀線鍵合

銀鍵合線比金電阻率低，熱導率高，故無論從導電性還是散熱性都比較好，且其價格也相對較為便宜。銀線的熱膨脹系數較高，鍵合可靠性問題是需要著重考慮的。 ? ? ? 綜上所述，不同材料的鍵合引線，其主要應用領域不同，均有一定程度的優缺點。線鍵合會有較大的寄生電感，多跟線鍵合時會有鄰近效應和電流分配不均等問題。帶鍵合雖然可有效地避免上述問題，但工藝難度增加，相應的增加制造成本。另外由于鍵合材料熱膨脹系數不匹配引起的熱應力積累，最終會影響功率器件的可靠性問題。因此在選擇鍵合引線時需要綜合考慮工藝、功率器件可靠性和成本等方面。

審核編輯：黃飛