功率模塊雙面散熱介紹

?IGBT全稱為絕緣柵雙極型晶體管，特點(diǎn)是可以使用電壓控制、耐壓高、飽和壓降小、切換速度快、節(jié)能等。功率模塊是電動(dòng)汽車逆變器的核心部件，其封裝技術(shù)對(duì)系統(tǒng)性能和可靠性有著至關(guān)重要的影響。

傳統(tǒng)的單面冷卻功率模塊一直是汽車應(yīng)用中最常見的封裝結(jié)構(gòu)之一。傳統(tǒng)的IGBT功率模塊主要由IGBT芯片，氧化鋁覆銅陶瓷基板，封裝互連材料，鍵合線，電連接端子等組成

圖1傳統(tǒng)單面冷卻IGBT封裝結(jié)構(gòu)

行業(yè)痛點(diǎn)——散熱問題

隨著功率電子器件正向高密度化，大功率，小型化發(fā)展，大規(guī)模運(yùn)用電子器件給我們的生活帶來便利的同時(shí)，越來越高功率使得電子器件的散熱問題愈發(fā)嚴(yán)重。因此散熱是一項(xiàng)非常關(guān)鍵的技術(shù)，散熱性能的好壞直接影響著產(chǎn)品的性能和壽命。

1）在器件封裝中，由于封裝材料不同，其封裝材料的熱膨脹系數(shù)的差異，導(dǎo)致器件出現(xiàn)不同程度的形變和熱應(yīng)力積累，最終導(dǎo)致如焊線脫離、焊料分層、塑封體開裂分層等失效問題;溫度的升高也會(huì)降低器件的性能，帶來電流的載荷能力和柵壓影響等問題。傳統(tǒng)單面散熱的功率芯片損耗產(chǎn)生的熱量通過絕緣基板、底板單方向傳導(dǎo)至散熱器。這種方式雖然能夠解決一定的散熱需求，但并不能解決一些大熱量的散熱需求。采用單面散熱方案，傳熱通道有限，熱阻較大，造成芯片與散熱面的溫差大，在長(zhǎng)期使用過程中，芯片容易因溫度過高而燒毀。

2）在傳統(tǒng)的功率模塊封裝中，功率半導(dǎo)體器件的頂部?jī)H用于電氣連接，而底部通常連接到DBC(直接鍵合銅)襯底，用于電氣連接和傳熱。由于易于使用和生產(chǎn)成本低，引線鍵合一直是功率模塊封裝中使用的互連方法。然而，這種非對(duì)稱封裝結(jié)構(gòu)存在寄生電參數(shù)大、熱應(yīng)力作用下模具彎曲等一系列缺陷。雖然引線鍵合在技術(shù)上有一些改進(jìn)，包括使用Cu或Al帶狀線鍵合取代Al，但由于連接點(diǎn)處的熱應(yīng)力較高，連接強(qiáng)度相對(duì)較低，引線鍵合仍然是電源模塊可靠性中最薄弱的環(huán)節(jié)。引鍵合方法也是寄生損耗的主要來源。更重要的是，線鍵的存在阻止了功率半導(dǎo)體器件頂部散熱的可能性。

雙面散熱——優(yōu)勢(shì)&發(fā)展

以擺脫作為互連方法的線鍵合，引入替代互連技術(shù)，功率半導(dǎo)體器件通過焊料或燒結(jié)直接連接到銅導(dǎo)體上，以便熱量可以通過功率半導(dǎo)體器件的兩側(cè)消散和傳遞。由于消除了線鍵，功率半導(dǎo)體器件頂部的附加路徑使兩條平行冷卻路徑成為可能，從而形成雙面冷卻功率模塊，近幾年對(duì)功率模塊雙面冷卻的研究也越來越多。和單面結(jié)構(gòu)散熱結(jié)構(gòu)相比，雙面冷卻結(jié)構(gòu)在功率芯片的兩側(cè)均焊接有絕緣導(dǎo)熱基板，功率端子全部與絕緣導(dǎo)熱基板相連，絕緣導(dǎo)熱基板的外側(cè)安裝有散熱器。這種設(shè)計(jì)可以提供更好的傳熱，并大大降低有效溫度。理論上，雙面冷卻可使裝置與冷卻劑之間的Rth降低50%。

與單面冷卻電源模塊相比，雙面冷卻功率模塊的優(yōu)勢(shì)包括：

1）改進(jìn)的熱性能將減少功率模塊內(nèi)的溫度波動(dòng)和熱應(yīng)力。

2）消除線鍵也消除了傳統(tǒng)電源模塊封裝中的主要故障模式之一，因此，雙面冷卻模塊的功率循環(huán)能力和可靠性已被證明比單面冷卻模塊提高了一個(gè)數(shù)級(jí)，從而延長(zhǎng)了使用壽命。

3）提高了電源模塊的電氣性能。雙面冷卻封裝需要平面電源封裝，從而使電流環(huán)路面積最小化。這減少了電寄生電感，優(yōu)化了更大的鍵合面積而導(dǎo)致的電阻降低，由于其較低的寄生電感和較高的封裝密度，無線鍵合配置是碳化硅器件的關(guān)鍵。

圖2雙面散熱IGBT封裝結(jié)構(gòu)

雙面散熱技術(shù)現(xiàn)狀

1）日立雙面水冷散熱結(jié)構(gòu)：

封裝結(jié)構(gòu)：l芯片：由兩組功率元件串聯(lián)而成，采用二合一半橋封裝?？紤]到針翅面積大概只有6cm×4cm，在每個(gè)組件內(nèi)留給IGBT和續(xù)流二極管的位置只有2cm×4cm，所以懷疑其在混動(dòng)車型上的應(yīng)用每個(gè)開關(guān)只包含一片IGBT和一片續(xù)流二極管，而在大功率純電動(dòng)車型上每個(gè)開關(guān)包含2片并聯(lián)的IGBT和續(xù)流二極管。2組單元內(nèi)的IGBT同向放置。IGBT芯片來源可能是富士，也有可能是日立自己。
l電氣連接：為實(shí)現(xiàn)平面封裝，芯片兩側(cè)都采用常規(guī)的錫焊連接，并沒有采用最新的納米銀漿燒結(jié)工藝，因此后面應(yīng)對(duì)碳化硅的高溫應(yīng)用場(chǎng)景可能會(huì)有一定挑戰(zhàn)。只有IGBT柵極采用了鍵合工藝。
l銅引線框架：日立并沒采用常見的陶瓷基板，而是采用了上下兩側(cè)較厚的銅引線框架分別連接IGBT正反兩面的集電極和發(fā)射極，并引出端子。
l絕緣層：因?yàn)闆]有使用陶瓷基板，日立采用了兩側(cè)絕緣層來實(shí)現(xiàn)電氣絕緣，分別貼在兩層銅引線框架外側(cè)。專利中表述這層絕緣層為摻雜有導(dǎo)熱填料的環(huán)氧樹脂，厚度約為120微米。另外日立強(qiáng)調(diào)沒有采用導(dǎo)熱硅脂或者熱界面材料（TIM）來減小界面熱阻，保證了較高的散熱性能。
l鋁金屬外殼：這個(gè)外殼兩側(cè)各有一塊帶針翅的區(qū)域，因此不需要導(dǎo)熱硅脂和額外的散熱基板的支持，即可直接將IGBT模塊放入水冷水道內(nèi)進(jìn)行直接的雙面水冷散熱。鋁金屬外殼頂部同時(shí)還提供了冷卻流道密封結(jié)構(gòu)和高壓和低壓端子接口。在鋁金屬內(nèi)側(cè)有一層大約50微米厚的陽(yáng)極氧化層。這層陽(yáng)極氧化層有助于和絕緣層相連，并且也是絕緣層，更加增強(qiáng)了封裝模塊的電絕緣性能。
l填充料：銅引線框架之間的空隙通過第一次轉(zhuǎn)印模具注塑密封成型；鋁金屬外殼內(nèi)的空隙通過第二次轉(zhuǎn)印模具注塑密封成型。
2）電裝雙面冷功率模塊

封裝結(jié)構(gòu)：
l芯片：包含IGBT和續(xù)流二極管。
l墊片：為了平衡IGBT和續(xù)流二極管的芯片高低差，IGBT和續(xù)流二極管上面各放有一片銅墊片。這個(gè)銅墊片在傳到電流的時(shí)候也為熱擴(kuò)散提供了緩沖。能譜分析表明電裝在這里使用了純銅墊片，而不是通常熱膨脹系數(shù)和硅更為接近的銅鉬合金。
l電氣連接：為實(shí)現(xiàn)平面封裝，芯片兩側(cè)都采用常規(guī)的錫焊連接，但是IGBT柵極采用了鋁綁定線和鍵合工藝。
l銅基板：電裝并沒采用常見的陶瓷基板，而是采用了上下兩側(cè)較厚的銅基板分別連接IGBT正反兩面的集電極和發(fā)射極，并引出端子。對(duì)比陶瓷基板，銅基板無疑在熱傳導(dǎo)上具有較大的優(yōu)勢(shì)。
l填充料：銅基板之間的空隙通過轉(zhuǎn)印模具注塑密封成型。
l絕緣層：因?yàn)闆]有使用陶瓷基板，所以這款功率模塊并不絕緣。因此在和散熱器組裝前，還需要在兩側(cè)兩層氮化硅絕緣層來實(shí)現(xiàn)電氣絕緣。
l導(dǎo)熱硅脂：為了減小絕緣層帶來的界面熱阻，每片絕緣層的兩側(cè)都涂上了導(dǎo)熱硅脂。在早期設(shè)計(jì)中，電裝使用了多達(dá)24片，12層功率模塊，為了保證壓力均勻分布可以想象導(dǎo)熱硅脂的設(shè)計(jì)厚度不會(huì)薄。對(duì)于每個(gè)功率模塊，外側(cè)4層這么厚的導(dǎo)熱硅脂實(shí)際上在一定程度上抵消了雙面冷的帶來的低熱阻優(yōu)勢(shì)。
3）Viper雙面水冷散熱：

封裝結(jié)構(gòu)：
l芯片：每個(gè)模塊只包含一組功率元件，包括一片IGBT和一片續(xù)流二極管，相當(dāng)于一合一封裝。
l電氣連接：為實(shí)現(xiàn)平面封裝，芯片兩側(cè)都采用常規(guī)的錫焊連接，包括柵極連接，沒有使用任何的綁定線，因此對(duì)模塊整體的可靠性有較大提升。
l陶瓷基板：德爾福使用了相對(duì)少見的鋁基氮化鋁陶瓷基板。上層基板三層厚度為外層鋁 200微米，中間氮化鋁700微米，內(nèi)層鋁350微米；下層基板三層厚度為外層鋁 200微米，中間氮化鋁700微米，內(nèi)層鋁270微米。
l填充料：鋁基氮化鋁陶瓷基板之間的空隙通過轉(zhuǎn)印模具注塑密封成型。
l導(dǎo)熱硅脂：因?yàn)檫@款模塊為間接水冷，因此需要模塊兩側(cè)和散熱器之間使用導(dǎo)熱硅脂來減少界面熱阻。4）雙面水冷散熱結(jié)構(gòu)：

封裝結(jié)構(gòu)：
l芯片：包含兩組功率元件，每組包括一片IGBT和一片續(xù)流二極管，相當(dāng)于二合一半橋封裝。兩組功率元件同向放置。
l墊片：為了平衡IGBT和續(xù)流二極管的芯片高低差，IGBT和續(xù)流二極管上面各放有一片墊片。這個(gè)墊片在傳導(dǎo)電流的時(shí)候也為熱擴(kuò)散提供了緩沖。墊片材質(zhì)并沒有選用常見的銅鉬合金，而是采用的鋁碳化硅，適度犧牲導(dǎo)熱性但是更多兼顧了熱膨脹系數(shù)。
l電氣連接：為實(shí)現(xiàn)平面封裝，芯片兩側(cè)及墊片上側(cè)都采用常規(guī)的錫焊連接，而且IGBT柵極采用了鋁綁定線和鍵合工藝，并沒有使用最新的納米銀燒結(jié)工藝。
l銅基板：采用常見的銅基氧化鋁陶瓷基板，性價(jià)比至上，而且相比電裝的雙面冷卻封裝，銅基氧化鋁陶瓷基板自帶絕緣功能，使得模塊自身絕緣，也取消了絕緣層的需要。
l填充料：銅基氧化鋁陶瓷基板之間的空隙通過轉(zhuǎn)印模具注塑密封成型。