新能源產(chǎn)品之“芯”IGBT基板是如何鑄造的
這是一種復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件，具有輸入阻抗大、驅(qū)動(dòng)功率小、開(kāi)關(guān)速度快、工作頻率高、飽和壓降低、安全工作區(qū)大和可耐高電壓和大電流等一系列優(yōu)點(diǎn)，大規(guī)模應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)、電力機(jī)車(chē)?yán)锏碾姍C(jī)驅(qū)動(dòng)以及并網(wǎng)技術(shù)、儲(chǔ)能電站、工業(yè)領(lǐng)域的高壓大電流場(chǎng)合的交直流電轉(zhuǎn)換和變頻控制等領(lǐng)域，是電力電子領(lǐng)域中最重要的大功率器件之一。
很多人知道，新能源汽車(chē)的成本構(gòu)成中，最貴的當(dāng)然是動(dòng)力電池。但是很少人知道，第二高的就是IGBT。
不懂英語(yǔ)的人可能不明白它的意思，所謂IGBT，翻譯成中文就是“絕緣柵雙極型晶體管芯片”，行外人看了還是不明白。
一句話(huà)解釋?zhuān)?/span>IGBT的基本功能就是實(shí)現(xiàn)交流電和直流電的轉(zhuǎn)換。
電動(dòng)汽車(chē)的電池提供400伏直流電，而電動(dòng)車(chē)的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)必須用交流電，通過(guò)改變電機(jī)的交流電的頻率，來(lái)改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而精準(zhǔn)的改變車(chē)輛行駛的速度和加速能力。電動(dòng)汽車(chē)3秒可以加速到100公里的強(qiáng)悍起步能力，就是因?yàn)榻涣麟姍C(jī)轉(zhuǎn)速啟動(dòng)特別快，這其中的轉(zhuǎn)換主要就是IGBT的功勞。
在充電樁上，充電樁從電網(wǎng)上接出來(lái)的電流是標(biāo)準(zhǔn)的220伏交流電，而電動(dòng)汽車(chē)的電池充電，需要直流電充電，這就需要IGBT將交流電變成直流電，并把電壓提高到電動(dòng)車(chē)需要的400伏的電壓上，才能給7000節(jié)18650電池充電。IGBT的性能直接決定了電動(dòng)車(chē)的充電效率和充電速度。
正因?yàn)?/span>IGBT 是能源變換與傳輸?shù)暮诵钠骷运环Q(chēng)為新能源產(chǎn)品的“CPU”，作為國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，在軌道交通、智能電網(wǎng)、航空航天、電動(dòng)汽車(chē)與新能源裝備等領(lǐng)域應(yīng)用極廣。
IGBT 門(mén)檻較高，長(zhǎng)期以來(lái)主要由英飛凌、富士電機(jī)等壟斷，不過(guò)國(guó)內(nèi) IGBT 企業(yè)也在奮起直追，新參與者也不斷涌入。比如我們?nèi)f富鑫的老客戶(hù)比亞迪于 2005 年進(jìn)入IGBT產(chǎn)業(yè)，2003年，比亞迪成立深圳比亞迪微電子有限公司（即其“第六事業(yè)部”），致力于集成電路及功率器件的開(kāi)發(fā)并提供產(chǎn)品應(yīng)用的整套解決方案，其IGBT的研發(fā)制造主要由比亞迪微電子負(fù)責(zé)。其推出的 IGBT 4。0 產(chǎn)品在電流輸出、綜合損耗及溫度循環(huán)壽命等許多關(guān)鍵指標(biāo)上超越了英飛凌等主流企業(yè)的產(chǎn)品，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)外供應(yīng)；目前，比亞迪已相繼掌握IGBT芯片設(shè)計(jì)和制造、模組設(shè)計(jì)和制造、大功率器件測(cè)試應(yīng)用平臺(tái)、電源及電控等環(huán)節(jié)，擁有IGBT完整產(chǎn)業(yè)鏈。
又如嘉興斯達(dá)半導(dǎo)體股份有限公司主要產(chǎn)品為功率半導(dǎo)體元器件，包括IGBT、MOSFET、IPM、FRD、SiC等等。公司成功研發(fā)出了全系列IGBT芯片、FRD芯片和IGBT模塊，實(shí)現(xiàn)了進(jìn)口替代。其中IGBT模塊產(chǎn)品超過(guò)600種，電壓等級(jí)涵蓋100V～3300V，電流等級(jí)涵蓋10A～3600A。產(chǎn)品已被成功應(yīng)用于新能源汽車(chē)、變頻器、逆變焊機(jī)、UPS、光伏/風(fēng)力發(fā)電、SVG、白色家電等領(lǐng)域。
IGBT的工藝很復(fù)雜，作為IGBT的一個(gè)關(guān)鍵部件即散熱柱型基板的供應(yīng)商，萬(wàn)富鑫使用的材料是Al/SiC(鋁碳化硅)復(fù)合材料是一種新型的IGBT散熱材料。鋁硅系合金在鑄造鋁合金中品種最多，用量最大的合金，含硅量在10%～25%。有時(shí)添加0。2%～0。6%鎂的硅鋁合金，廣泛用于結(jié)構(gòu)件，如殼體、缸體、箱體和框架等。有時(shí)添加適量的銅和鎂，能提高合金的力學(xué)性能和耐熱性。此類(lèi)合金廣泛用于制造活塞等部件。Al/SiC是目前公證可以提供良好熱鼓脹系數(shù)的材料，大大提升了IGBT功率模塊的性能。經(jīng)測(cè)試可多出5倍的產(chǎn)品壽命。
建模之后，將鋁液倒入壓室內(nèi)，通過(guò)其壓力高速充滿(mǎn)模具型腔，并使鋁液在壓力下凝固從而形成鋁鑄件?？梢愿鶕?jù)客戶(hù)需求把散熱柱型（Pin-Fin）基板可設(shè)計(jì)成針狀與弧形等。
這種帶針翅的IGBT模塊的散熱結(jié)構(gòu)，應(yīng)用于IGBT模塊.
然后依據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行鍛造按粗加工、半精加工、精加工的順序，加工精度逐漸提高。先對(duì)基板內(nèi)表面和外表面進(jìn)行粗加工，然后對(duì)內(nèi)表面和外表面進(jìn)行精加工。鍛壓過(guò)程由于結(jié)構(gòu)力學(xué)強(qiáng)度等的考慮，會(huì)產(chǎn)生一些水口，需要用CNC銑去水口，方便后續(xù)加工。在CNC加工過(guò)程中，為了控制變形，我們采用二次加工，去應(yīng)力，最大可能地減少產(chǎn)品變形度。
還可以提供從噴砂陽(yáng)極氧化到電鍍等所需的表面處理，包括做成目前市場(chǎng)上流行的金色。