電動車構造主要利用外部電源，將電力能源經由充電器儲存於二次電池組中，需使用電動車時，經由驅動控制器控制馬達輸出轉速或轉矩、減速傳動機構，使輪胎接受馬達驅動而與地面產生相對運動。電動車主要可分為兩大系統：一能量供應次系統：包含單體電池、電池組、充電器與電池管理系統；二電動動力系統：包含大電流高電壓絕緣柵雙極型功率電晶體(IGBT)功率模組、馬達驅動器、馬達與減速傳動機構等，如圖一所示。電動車的電子系統中，馬達控制單元的變頻器(Inverter)是由電能轉換成動能最重要的電子零組件，其中影響電能轉換效率最重要的部分是功率電子模組，目前在30~50 KW 馬達使用的功率元件主要是由矽基IGBT 及二極體所組成，其元件規格位於600V/450A ，且不斷持續改良其特性，以減少功率損耗。
圖二、HEV Inverter
除了電動車的應用之外， IGBT功率模組也是目前綠能產業的關鍵電子元件，目前市場上的核心功率器件主要有MOSFET 半導體場效應電晶體、雙極型功率電晶體和絕緣柵雙極型功率電晶體IGBT 。MOSFET 場效應電晶體具有開關速度快和電壓型控制的特點，但其通態電阻大，難以滿足高壓大電流的要求；雙極型功率電晶體雖然能滿足高耐壓大電流的要求，但沒有快速的開關速度，屬電流控制型器件，需要較大的功率驅動。因此MOSFET 半導體場效應電晶體和雙極型功率電晶體都無法滿足小型、高頻和高效率的要求，只有絕緣柵雙極型功率電晶體IGBT 集MOSFET 場效應電晶體的高速性能和雙極型功率電晶體的低電阻性能於一體。
IGBT 功率模組封裝技術
IGBT 功率模組結構如圖五所示。晶片(IGBT/Diode)以錫焊接合方式組裝於一覆銅陶瓷基板上，此基板是利用DBC 技術(Direct Bond Copper)將銅箔直接燒結到Al2O3 或AlN陶瓷表面而製成的一種複合基板。
1. 電性互連技術
由於功率模組涵蓋了廣泛的電流範圍，模組的功率端子連接到外在使用端採用不同的技術。在最低功率的模組（通常小於100W）中，模組被焊接於印刷電路板上。對小模組而言（例如Intelligent Power Module; IPM）（圖六），模組通常和其他穿透式(Feed-through)或SMD 元件，例如濾波器、DC 連接帽(DC-link Cap)及連接器焊在一起。因此，焊接所需的技術必須由PCB製造商而來，因此功率模組必須能承受迴焊(Solder Reflow)或波焊(Solder Waves)所產生的熱。當電流增加時，功率模組變得更大及更重，因此必須分別被焊於PCB 中。
2. 功率循環(Power Cycling)
是研究功率模組封裝及互連的重要工具。在測試時，元件在開啟時間(On-time)及藉由晶片功率消散加熱。因此功率循環在模組中產生很大的溫度梯度及不均勻的溫度分布。
圖八、功率循環原理
3. 熱管理技術
由於功率晶片在傳導及切換中產生非常明顯的損失，因此須將模組安裝在散熱片上。晶片被焊在雙面金屬的陶瓷基板，以提供良好的熱傳導及電絕緣。最常使用的陶瓷材料是氧化鋁及氮化鋁，金屬層通常是厚銅(300 µm)，藉由共熔接合製程(Eutectic Bonding)連接到氧化物(Direct Bonded Copper; DBC)，或是藉由主動金屬硬焊(Active Metal Brazing; AMB)製程。
功率模組封裝趨勢
1. 陶瓷基板
為了提供足夠的熱傳，目前的趨勢是使陶瓷層變薄而使銅層變厚。氧化鋁厚度由0.63 mm 降至0.38 µm 。最近，摻雜鋯(Zirconium)的氧化鋁，厚度可達0.32 mm 。另一種材料是氮化鋁(0.32 µm)，具有較氧化鋁佳的熱傳導率(140~180 W/mK)及較高的機械強度。可藉由提升銅厚0.3~0.6 mm ，以提供較佳的熱擴散及較低的歐姆損失，增加散熱效能。
6. 低熱膨脹係數底板材料應用
由於底板焊基板的接合面積最大，底板和基板也具有較高的CTE 差異，因此非常容易破壞。為了降低此一應力問題，採用CTE 接近絕緣基板的底板材料是非常重要的做法。複合材料具有低的熱膨脹係數，可用於替代底板材料。常用的金屬基複材(Metal-Matrix Composite; MMC)具有低熱膨脹係數，例如AlSiC 也被用來取代銅做為底板，以提升可靠度，如圖廿所示。
SiC 功率模組封裝
面對市場日益嚴苛的能源效率要求，傳統以矽為材料的功率半導體正面臨發展瓶頸，因此，功率半導體製造商紛紛著手布局新的材料技術，而具有比矽更低導通電阻及更高切換速度的氮化鎵(GaN)與碳化矽(SiC)，遂成為眾所矚目的焦點。其中，在產品化方面領先一步的是SiC ……以上內容為重點摘錄，如欲詳全文請見原文
作者：劉君愷 / 工研院電光所
★本文節錄自「工業材料雜誌297期」，更多資料請見：https://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=9577