一文詳解IGBT 模塊的熱設(shè)計(jì)和熱管理

IGBT 模塊的熱阻抗網(wǎng)絡(luò)模型，論述熱阻與封裝材料熱性能及尺寸的關(guān)系。討論功率半導(dǎo)體器件的功率損耗對結(jié)溫、溫度變化對模塊壽命的影響。并從芯片和模塊封裝結(jié)構(gòu)、材料等方面分析模塊的熱設(shè)計(jì)要點(diǎn)，以及 IGBT 模塊在應(yīng)用系統(tǒng)中的熱管理方案。

? 1?IGBT 模塊的熱阻網(wǎng)絡(luò)

傳統(tǒng) IGBT 模塊的結(jié)構(gòu)剖面圖如圖 1 所示，通過陶瓷襯板實(shí)現(xiàn)芯片與外部的絕緣，基板起到散熱、支撐及與外部散熱器接觸的作用，通過鋁引線鍵合、焊料層實(shí)現(xiàn)電學(xué)互連和連接。 ?

圖 1 傳統(tǒng) IGBT 模塊結(jié)構(gòu)剖面圖 ? 其中模塊的鋁鍵合引線與芯片的鍵合點(diǎn)較小，芯片工作中產(chǎn)生的熱量主要通過熱傳導(dǎo)的方式由芯片向基板單向傳遞，在此過程中會(huì)遇到一定的阻力，稱為導(dǎo)熱熱阻。芯片到殼體的熱阻 Rth j-c是散熱路徑上各層材料熱阻的串聯(lián)之和。根據(jù)式（1），每一層材料的熱阻和熱容由其散熱面積及厚度決定，散熱面積由材料的熱擴(kuò)散角 α 決定。 ?

? 式中：Rth 為材料導(dǎo)熱熱阻；d為導(dǎo)熱介質(zhì)層厚度；k 為熱導(dǎo)率；A 為導(dǎo)熱介質(zhì)面積；C 為熱容；c 為材料比熱容；m 為材料質(zhì)量。在 IGBT 模塊的散熱路徑上，由芯片向下，散熱面積 A 逐漸增大，假設(shè)散熱角 α 恒定，導(dǎo)熱區(qū)域?yàn)檎叫危妶D 2，則第 i 層導(dǎo)熱介質(zhì)面積 Ai 近似由式（2）估算。 ?

? 式中：di 為第 i 層介質(zhì)厚度；li?1 為 i–1 層導(dǎo)熱介質(zhì)邊長。 ?

圖 2 IGBT 模塊散熱路徑上不同介質(zhì)的散熱面積 ? 根據(jù) Cauer 模型，傳統(tǒng) IGBT 模塊的等效熱阻網(wǎng)絡(luò)見圖 3。該模型基于實(shí)際物理意義，將整體熱阻等效為各層導(dǎo)熱介質(zhì)的熱阻之和，各介質(zhì)的熱容由其材料屬性和質(zhì)量決定。根據(jù)此模型，IGBT 模塊的 Rth j-c 可以通過計(jì)算得到。 ?

圖 3 IGBT 模塊等效熱阻網(wǎng)絡(luò) Cauer 模型 ?

2?IGBT 模塊的熱設(shè)計(jì)和熱管理

IGBT 模塊的 Rth j-c 與芯片面積有直接關(guān)系，芯片面積越大，散熱通道的截面積越大，Rth j-c 越小。然而，為了提升模塊及功率系統(tǒng)的功率密度，減小體積，目前的研發(fā)重點(diǎn)是逐漸增加芯片的電流密度，減小芯片的整體面積，從而增加了Rth j-c。采用薄片工藝，可以在一定程度上降低芯片功耗和 Rth j-c。在 IGBT 模塊的設(shè)計(jì)中，需要通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)和材料，降低高功率密度芯片引起的熱阻增加。并通過提高芯片的 Tjmax，增加熱設(shè)計(jì)的余量和模塊的可靠性。 ?

2.1 封裝材料對熱特性的影響

除半導(dǎo)體芯片外，傳統(tǒng) IGBT 模塊的封裝材料主要包括絕緣襯板、母排端子、鍵合引線、焊料、基板、硅膠、塑料外殼等。材料熱設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是選擇導(dǎo)熱率高、CTE 匹配率高的材料組合，從而降低熱阻，減小熱-機(jī)械應(yīng)力。熱-機(jī)械應(yīng)力是功率模塊熱疲勞退化和失效的主要原因，它是在溫度變化過程中由材料的 CTE 不同引起的，對模塊的結(jié)合層和互連部分影響最大。因此，基于熱特性優(yōu)化選擇模塊材料是提升模塊熱穩(wěn)定性和壽命的重要環(huán)節(jié)。 ?

圖 4 IGBT 模塊常用封裝材料的熱特性 ? 圖 4 為 IGBT 模塊常用封裝材料的主要熱學(xué)參數(shù)。目前常用的絕緣襯板主要有Al2O3、AlN、Si3N4 等，就熱特性來說，AlN 是比較理想的封裝材料，也是大部分IGBT模塊的首要選擇。但Al2O3 具有成本上的優(yōu)勢，Si3N4 ?具有機(jī)械強(qiáng)度方面的優(yōu)勢，在設(shè)計(jì)中需要根據(jù)應(yīng)用需求作具體考慮。IGBT 模塊常用的芯片互連材料是 Al 鍵合引線，但其導(dǎo)熱、導(dǎo)電性都比 Cu 材料弱，而且 CTE比 Cu 大，在溫度沖擊中，所受熱-機(jī)械應(yīng)力更大，可靠性較低。因此，銅線鍵合具有電學(xué)、熱學(xué)、可靠性等方面的優(yōu)勢，是功率模塊封裝材料和技術(shù)的發(fā)展趨勢。 ? 目前，IGBT模塊的基板材料主要有Cu、AlSiC以及Cu合金等。Cu材料具有高熱導(dǎo)率，但CTE 與 Si、襯板等材料相差較大，工作中易產(chǎn)生大的熱-機(jī)械應(yīng)力。AlSiC 與模塊系統(tǒng)其他材料的 CTE 匹配度更高，熱導(dǎo)率相對較高，是高可靠性模塊常選的封裝材料。 ?

對硅膠和外殼等灌封材料來說，工作溫度范圍和熱穩(wěn)定性是需要重點(diǎn)考慮的參數(shù)，一般通過高低溫存儲和沖擊試驗(yàn)進(jìn)行檢測，尤其對于應(yīng)用在嚴(yán)苛溫度條件下的功率模塊，溫度特性和穩(wěn)定性是模塊灌封材料的重要考核指標(biāo)。 ?

2.2 模塊結(jié)構(gòu)的熱設(shè)計(jì)方案

? IGBT 模塊的結(jié)構(gòu)在一定程度上決定了其熱阻的大小，圖 3 是基于傳統(tǒng) IGBT 模塊結(jié)構(gòu)的等效熱阻網(wǎng)絡(luò)，表征 Rth j-c 由模塊結(jié)構(gòu)的散熱路徑?jīng)Q定。在應(yīng)用中，傳播到模塊殼體的熱量將由外部散熱器帶走，因此由模塊到散熱器的熱阻 Rth c-h 是模塊熱設(shè)計(jì)和熱管理的重要一環(huán)。由芯片到外部散熱器的熱阻 Rth j-h 可以表示為 ?

在應(yīng)用中，傳統(tǒng)模塊的平面基板殼體與散熱器之間一般施加 0.1 mm 左右厚的導(dǎo)熱硅脂，用以填充基板與散熱器接觸時(shí)的空隙，增加散熱效率。由于導(dǎo)熱硅脂的熱導(dǎo)率較低，一般 Rth c-h 占到整體熱阻 Rth j-h 的 50% 左右。通過模塊封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如直接散熱，應(yīng)用中可以去除導(dǎo)熱硅脂層，大幅度降低整體熱阻。 ?

2.2.1 直接水冷散熱結(jié)構(gòu)

圖 5 為直接液體冷卻（ direct liquid cooled: DLC） IGBT模塊結(jié)構(gòu)示意圖。采用針翅（ Pin Fin）結(jié)構(gòu)基板，應(yīng)用中不需導(dǎo)熱硅脂層和外部散熱器而實(shí)現(xiàn)直接液體冷卻，與傳統(tǒng)平面基板結(jié)構(gòu)比，Rth j-h 降低一半左右，見圖 6。 ?

圖 5 DLC IGBT 模塊結(jié)構(gòu) ?

圖 6 DLC 與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu) IGBT 模塊熱阻比較 ? ?

2.2.2 平面封裝雙面散熱結(jié)構(gòu)

? 平面封裝結(jié)構(gòu)采用金屬層替代芯片表面的鋁鍵合引線互連，可以降低電學(xué)寄生參數(shù)，提高載流能力，具有電學(xué)、熱學(xué)、機(jī)械及可靠性方面的一系列優(yōu)點(diǎn)。 ? 通過平面封裝結(jié)構(gòu)和技術(shù)，可以將 IGBT 模塊產(chǎn)生的熱量損耗通過上、下兩個(gè)方向的散熱器擴(kuò)散，達(dá)到雙面冷卻（double sided cooling，DSC）的效果。Rth j-c DSC 結(jié)構(gòu)的結(jié)殼等效熱阻計(jì)算公式如式（4）所示，其中 Rth j-c T、Rth j-c B 分別為芯片到殼體上、下表面的熱阻。采用對稱設(shè)計(jì)，可以將模塊的散熱效率提高一倍，等效 Rth j-c 降低一半左右，從而大大降低 Tj，提高熱性能和溫度可靠性。 ?

? 圖 7 為株洲中車時(shí)代電氣最新開發(fā)的 DSC 平面封裝汽車 IGBT 模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。功率芯片通過焊接或銀燒結(jié)技術(shù)與兩層絕緣襯板相連，電流通道經(jīng)過上層襯板的覆銅層。芯片產(chǎn)生的熱量通過兩層襯板擴(kuò)散到外部散熱器。模塊外殼通過轉(zhuǎn)模技術(shù)形成，具有較高的工作溫度和可靠性。 ?

圖 7 平面封裝 DSC IGBT 模塊結(jié)構(gòu) ? DSC 模塊沒有基板，其 Rth j-h 比 DLC 模塊的低 50% 以上。但由于沒有集成直接水冷散熱器，應(yīng)用中需要通過導(dǎo)熱材料或焊接與外部散熱器接觸，從而增加了 Rth j-h。圖 8 為 DSC 模塊在不同安裝方式下的等效 Rth j-h 及其與 DLC 模塊的比較。通過導(dǎo)熱材料壓接安裝的 DSC 模塊，其 Rth j-h 比DLC 模塊減小 30% 左右，此數(shù)值受導(dǎo)熱材料的熱導(dǎo)率影響；通過焊接安裝的 DSC 模塊的 Rth j-h比DLC 結(jié)構(gòu)的減小 40% 左右。 ?

圖 8 DSC 模塊 Rth j-h 及其與 DLC 模塊比較 ?

2.2.3 集成相變結(jié)構(gòu)散熱結(jié)構(gòu)

相變散熱通過相變材料的物質(zhì)狀態(tài)改變吸收熱量，如液體蒸發(fā)成氣體的過程。熱管或蒸汽腔室就是利用液體相變過程實(shí)現(xiàn)散熱的結(jié)構(gòu)，具有較高的散熱效率，在功率半導(dǎo)體器件和系統(tǒng)的熱管理中已經(jīng)應(yīng)用。但該結(jié)構(gòu)一般作為外部散熱設(shè)計(jì)，應(yīng)用在功率模塊之外。當(dāng)把熱管或蒸汽腔室結(jié)構(gòu)集成在模塊封裝之內(nèi)時(shí)，將實(shí)現(xiàn)高效率散熱和緊湊封裝。 ? 圖 9 為基板集成相變散熱（ phase change cooling，PCC）結(jié)構(gòu)的 IGBT 模塊剖面圖。模擬結(jié)果表明，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，該集成相變結(jié)構(gòu)能夠降低熱阻 15% 左右。中車時(shí)代電氣根據(jù)此設(shè)計(jì)試制出了一款電動(dòng)汽車級功率模塊，見圖 10。 ?

圖 9 基板集成相變散熱結(jié)構(gòu) IGBT 模塊 ?

圖 10 集成相變散熱結(jié)構(gòu) IGBT 模塊樣品 ? 其他模塊結(jié)構(gòu)方面的熱設(shè)計(jì)還包括無基板結(jié)構(gòu)、無襯板結(jié)構(gòu)如直接芯片鍵合到母排（die on leadframe，DOL）、襯板直接液體冷卻、襯板基板一體化設(shè)計(jì)、集成液體循環(huán)冷卻通道等。其設(shè)計(jì)目標(biāo)是通過簡化模塊結(jié)構(gòu)，減少結(jié)合層，去除熱界面材料（thermal interface material，TIM），實(shí)現(xiàn)降低熱阻抗，降低 Tj，增加熱穩(wěn)定性和可靠性。 ? 在模塊封裝工藝方面，先進(jìn)的結(jié)合和互連技術(shù)可以大幅度提升模塊的熱穩(wěn)定性。開發(fā)更高熱導(dǎo)率的焊接、燒結(jié)和引線材料，或采用大面積金屬片替代引線鍵合技術(shù)，如直接端子鍵合（direct lead bonding，DLB），可以增加通流及導(dǎo)熱能力，實(shí)現(xiàn)溫度均勻分布，減少過熱點(diǎn)。采用超聲鍵合技術(shù)（ultrasonic welding）進(jìn)行端子連接，去除端子與襯板的結(jié)合層，可以大幅降低熱-機(jī)械應(yīng)力，提升熱穩(wěn)定性。 ?

2.3 不同封裝結(jié)構(gòu)的熱阻比較

? 對不同散熱結(jié)構(gòu)的 IGBT 模塊，測試了結(jié)-冷卻液熱阻（Rth j-f），如圖 11 所示。在以上 3 種結(jié)構(gòu)中，DSC 模塊的散熱效率最高，熱阻最低，是下一代高功率密度 IGBT 模塊的發(fā)展趨勢。試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了 PCC 結(jié)構(gòu)的散熱效率比 DLC 結(jié)構(gòu)高15% 左右，在一定程度和范圍內(nèi)具有較好的應(yīng)用前景。然而，在今后一段時(shí)期，由于 DLC 模塊具有制造過程和應(yīng)用簡單的優(yōu)勢，依然是高性能高可靠性 IGBT 模塊如電動(dòng)汽車等應(yīng)用領(lǐng)域的主流產(chǎn)品。 ?

圖 11 不同散熱結(jié)構(gòu) IGBT 模塊的熱阻比較 ?

2.4 壓接式 IGBT 模塊熱設(shè)計(jì)

? 壓接式 IGBT（press pack IGBT，PPI）模塊是特高壓柔性直流輸電系統(tǒng)的理想開關(guān)器件，其全控可關(guān)斷能力是系統(tǒng)電壓源換流器的最關(guān)鍵需。目前的新建特高壓直流輸電項(xiàng)目，已經(jīng)進(jìn)入IGBT 模塊取代大功率晶閘管的階段，如近期完成系統(tǒng)試驗(yàn)的張北和烏東德工程，分別部分和全部采用了 PPI 模塊，實(shí)現(xiàn)了世界電壓等級最高和輸送容量最大的柔性直流輸電能力。 ? PPI 模塊的封裝概念和結(jié)構(gòu)來源于大功率晶閘管，大面積的功率端子通過壓力與多個(gè)芯片的正面和背面接觸，進(jìn)行芯片互連，形成并聯(lián)，從而提升功率能力。通過設(shè)計(jì)，壓接式封裝結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)雙面散熱、失效短路等目標(biāo)，這是高壓直流輸電系統(tǒng)等需要通過串聯(lián)多個(gè)功率器件實(shí)現(xiàn)高壓的系統(tǒng)的關(guān)鍵要求。而傳統(tǒng)焊接型 IGBT 模塊的非平面互連結(jié)構(gòu)，在功率能力、散熱、短路失效、可靠性等方面都不如 PPI 模塊。 ? 圖 12 為中車時(shí)代電氣 PPI 模塊產(chǎn)品的基本結(jié)構(gòu)單元和模塊結(jié)構(gòu)剖面圖。其基本單元由芯片、金屬間隔片、柵極連接針以及絕緣框架組成，通過模塊級封裝，將多個(gè)基本單元并聯(lián)封裝在模塊之中，其主要部件包括陶瓷管殼、管蓋、管座、柵極回路 PCB 等。因此，PPI 模塊的熱設(shè)計(jì)包括基本單元級和模塊級兩方面。 ?

圖 12 PPI 模塊基本結(jié)構(gòu)單元和整體結(jié)構(gòu)剖面圖 ? 根據(jù) PPI 模塊中使用的材料、尺寸、工藝和應(yīng)用工況等信息，可以建立精準(zhǔn)的熱學(xué)仿真模型，將這些信息以合理的方式在熱模型中表征出來，輸出如圖 13 顯示的溫場分布，以進(jìn)行 PPI 模塊的熱管理設(shè)計(jì)和優(yōu)化。圖 14 為 PPI 模塊在不同壓力下的瞬態(tài)熱阻抗曲線，隨著壓裝力的增加，器件的接觸熱阻減小，整體熱阻降低，且熱阻變化量也在減小，根據(jù)其變化規(guī)律可以實(shí)現(xiàn)壓裝力范圍的標(biāo)定。 ?

圖 13 應(yīng)用工況下 PPI 模塊的溫度分布云圖 ?

圖 14 PPI 模塊在不同壓力下的瞬態(tài)熱阻抗曲線 ?

3 結(jié)語

IGBT 模塊的熱性能和熱穩(wěn)定性是模塊設(shè)計(jì)、表征和應(yīng)用評估的重要方面。實(shí)現(xiàn)快速、高效地對芯片進(jìn)行冷卻降溫是封裝和應(yīng)用設(shè)計(jì)關(guān)鍵，將大大提升 IGBT 模塊的性能，降低芯片結(jié)溫和功率損耗，從而提高穩(wěn)定性和可靠性。尤其是隨著IGBT 模塊功率密度的增加、應(yīng)用環(huán)境的惡劣、可靠性和壽命的要求提高，IGBT 模塊的熱設(shè)計(jì)和熱管理技術(shù)是新型產(chǎn)品設(shè)計(jì)和應(yīng)用的最重要環(huán)節(jié)。 ? 本文主要概述了傳統(tǒng) IGBT 模塊的熱行為及熱設(shè)計(jì)技術(shù)，以及面向柔性直流輸電電網(wǎng)應(yīng)用的壓接式 IGBT 模塊的熱設(shè)計(jì)?；?IGBT 模塊的熱阻抗網(wǎng)絡(luò)模型，從封裝材料、結(jié)構(gòu)和工藝技術(shù)等方面論述了 IGBT 模塊熱設(shè)計(jì)和熱管理方案。通過新型高熱性能材料的組合，集成化封裝結(jié)構(gòu)和高溫度穩(wěn)定性封裝技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn) IGBT 模塊的熱性能、可靠性和壽命的增強(qiáng)和提升。

審核編輯：黃飛

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