一文詳解IGBT 模塊的熱設計和熱管理

IGBT 模塊的熱阻抗網絡模型，論述熱阻與封裝材料熱性能及尺寸的關系。討論功率半導體器件的功率損耗對結溫、溫度變化對模塊壽命的影響。并從芯片和模塊封裝結構、材料等方面分析模塊的熱設計要點，以及 IGBT 模塊在應用系統中的熱管理方案。

? 1?IGBT 模塊的熱阻網絡

傳統 IGBT 模塊的結構剖面圖如圖 1 所示，通過陶瓷襯板實現芯片與外部的絕緣，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、焊料層實現電學互連和連接。 ?

圖 1 傳統 IGBT 模塊結構剖面圖 ? 其中模塊的鋁鍵合引線與芯片的鍵合點較小，芯片工作中產生的熱量主要通過熱傳導的方式由芯片向基板單向傳遞，在此過程中會遇到一定的阻力，稱為導熱熱阻。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之和。根據式（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散角 α 決定。 ?

? 式中：Rth 為材料導熱熱阻；d為導熱介質層厚度；k 為熱導率；A 為導熱介質面積；C 為熱容；c 為材料比熱容；m 為材料質量。在 IGBT 模塊的散熱路徑上，由芯片向下，散熱面積 A 逐漸增大，假設散熱角 α 恒定，導熱區域為正方形，見圖 2，則第 i 層導熱介質面積 Ai 近似由式（2）估算。 ?

? 式中：di 為第 i 層介質厚度；li?1 為 i–1 層導熱介質邊長。 ?

圖 2 IGBT 模塊散熱路徑上不同介質的散熱面積 ? 根據 Cauer 模型，傳統 IGBT 模塊的等效熱阻網絡見圖 3。該模型基于實際物理意義，將整體熱阻等效為各層導熱介質的熱阻之和，各介質的熱容由其材料屬性和質量決定。根據此模型，IGBT 模塊的 Rth j-c 可以通過計算得到。 ?

圖 3 IGBT 模塊等效熱阻網絡 Cauer 模型 ?

2?IGBT 模塊的熱設計和熱管理

IGBT 模塊的 Rth j-c 與芯片面積有直接關系，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的功率密度，減小體積，目前的研發重點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 模塊的設計中，需要通過優化結構和材料，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，增加熱設計的余量和模塊的可靠性。 ?

2.1 封裝材料對熱特性的影響

除半導體芯片外，傳統 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。材料熱設計的關鍵是選擇導熱率高、CTE 匹配率高的材料組合，從而降低熱阻，減小熱-機械應力。熱-機械應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，對模塊的結合層和互連部分影響最大。因此，基于熱特性優化選擇模塊材料是提升模塊熱穩定性和壽命的重要環節。 ?

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參數。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 具有成本上的優勢，Si3N4 ?具有機械強度方面的優勢，在設計中需要根據應用需求作具體考慮。IGBT 模塊常用的芯片互連材料是 Al 鍵合引線，但其導熱、導電性都比 Cu 材料弱，而且 CTE比 Cu 大，在溫度沖擊中，所受熱-機械應力更大，可靠性較低。因此，銅線鍵合具有電學、熱學、可靠性等方面的優勢，是功率模塊封裝材料和技術的發展趨勢。 ? 目前，IGBT模塊的基板材料主要有Cu、AlSiC以及Cu合金等。Cu材料具有高熱導率，但CTE 與 Si、襯板等材料相差較大，工作中易產生大的熱-機械應力。AlSiC 與模塊系統其他材料的 CTE 匹配度更高，熱導率相對較高，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定性是需要重點考慮的參數，一般通過高低溫存儲和沖擊試驗進行檢測，尤其對于應用在嚴苛溫度條件下的功率模塊，溫度特性和穩定性是模塊灌封材料的重要考核指標。 ?

2.2 模塊結構的熱設計方案

? IGBT 模塊的結構在一定程度上決定了其熱阻的大小，圖 3 是基于傳統 IGBT 模塊結構的等效熱阻網絡，表征 Rth j-c 由模塊結構的散熱路徑決定。在應用中，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 是模塊熱設計和熱管理的重要一環。由芯片到外部散熱器的熱阻 Rth j-h 可以表示為 ?

在應用中，傳統模塊的平面基板殼體與散熱器之間一般施加 0.1 mm 左右厚的導熱硅脂，用以填充基板與散熱器接觸時的空隙，增加散熱效率。由于導熱硅脂的熱導率較低，一般 Rth c-h 占到整體熱阻 Rth j-h 的 50% 左右。通過模塊封裝結構設計，如直接散熱，應用中可以去除導熱硅脂層，大幅度降低整體熱阻。 ?

2.2.1 直接水冷散熱結構

圖 5 為直接液體冷卻（ direct liquid cooled: DLC） IGBT模塊結構示意圖。采用針翅（ Pin Fin）結構基板，應用中不需導熱硅脂層和外部散熱器而實現直接液體冷卻，與傳統平面基板結構比，Rth j-h 降低一半左右，見圖 6。 ?

圖 5 DLC IGBT 模塊結構 ?

圖 6 DLC 與傳統結構 IGBT 模塊熱阻比較 ? ?

2.2.2 平面封裝雙面散熱結構

? 平面封裝結構采用金屬層替代芯片表面的鋁鍵合引線互連，可以降低電學寄生參數，提高載流能力，具有電學、熱學、機械及可靠性方面的一系列優點。 ? 通過平面封裝結構和技術，可以將 IGBT 模塊產生的熱量損耗通過上、下兩個方向的散熱器擴散，達到雙面冷卻（double sided cooling，DSC）的效果。Rth j-c DSC 結構的結殼等效熱阻計算公式如式（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。采用對稱設計，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 為株洲中車時代電氣最新開發的 DSC 平面封裝汽車 IGBT 模塊的結構示意圖。功率芯片通過焊接或銀燒結技術與兩層絕緣襯板相連，電流通道經過上層襯板的覆銅層。芯片產生的熱量通過兩層襯板擴散到外部散熱器。模塊外殼通過轉模技術形成，具有較高的工作溫度和可靠性。 ?

圖 7 平面封裝 DSC IGBT 模塊結構 ? 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，應用中需要通過導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，此數值受導熱材料的熱導率影響；通過焊接安裝的 DSC 模塊的 Rth j-h比DLC 結構的減小 40% 左右。 ?

圖 8 DSC 模塊 Rth j-h 及其與 DLC 模塊比較 ?

2.2.3 集成相變結構散熱結構

相變散熱通過相變材料的物質狀態改變吸收熱量，如液體蒸發成氣體的過程。熱管或蒸汽腔室就是利用液體相變過程實現散熱的結構，具有較高的散熱效率，在功率半導體器件和系統的熱管理中已經應用。但該結構一般作為外部散熱設計，應用在功率模塊之外。當把熱管或蒸汽腔室結構集成在模塊封裝之內時，將實現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）結構的 IGBT 模塊剖面圖。模擬結果表明，與傳統結構相比，該集成相變結構能夠降低熱阻 15% 左右。中車時代電氣根據此設計試制出了一款電動汽車級功率模塊，見圖 10。 ?

圖 9 基板集成相變散熱結構 IGBT 模塊 ?

圖 10 集成相變散熱結構 IGBT 模塊樣品 ? 其他模塊結構方面的熱設計還包括無基板結構、無襯板結構如直接芯片鍵合到母排（die on leadframe，DOL）、襯板直接液體冷卻、襯板基板一體化設計、集成液體循環冷卻通道等。其設計目標是通過簡化模塊結構，減少結合層，去除熱界面材料（thermal interface material，TIM），實現降低熱阻抗，降低 Tj，增加熱穩定性和可靠性。 ? 在模塊封裝工藝方面，先進的結合和互連技術可以大幅度提升模塊的熱穩定性。開發更高熱導率的焊接、燒結和引線材料，或采用大面積金屬片替代引線鍵合技術，如直接端子鍵合（direct lead bonding，DLB），可以增加通流及導熱能力，實現溫度均勻分布，減少過熱點。采用超聲鍵合技術（ultrasonic welding）進行端子連接，去除端子與襯板的結合層，可以大幅降低熱-機械應力，提升熱穩定性。 ?

2.3 不同封裝結構的熱阻比較

? 對不同散熱結構的 IGBT 模塊，測試了結-冷卻液熱阻（Rth j-f），如圖 11 所示。在以上 3 種結構中，DSC 模塊的散熱效率最高，熱阻最低，是下一代高功率密度 IGBT 模塊的發展趨勢。試驗結果驗證了 PCC 結構的散熱效率比 DLC 結構高15% 左右，在一定程度和范圍內具有較好的應用前景。然而，在今后一段時期，由于 DLC 模塊具有制造過程和應用簡單的優勢，依然是高性能高可靠性 IGBT 模塊如電動汽車等應用領域的主流產品。 ?

圖 11 不同散熱結構 IGBT 模塊的熱阻比較 ?

2.4 壓接式 IGBT 模塊熱設計

? 壓接式 IGBT（press pack IGBT，PPI）模塊是特高壓柔性直流輸電系統的理想開關器件，其全控可關斷能力是系統電壓源換流器的最關鍵需。目前的新建特高壓直流輸電項目，已經進入IGBT 模塊取代大功率晶閘管的階段，如近期完成系統試驗的張北和烏東德工程，分別部分和全部采用了 PPI 模塊，實現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構來源于大功率晶閘管，大面積的功率端子通過壓力與多個芯片的正面和背面接觸，進行芯片互連，形成并聯，從而提升功率能力。通過設計，壓接式封裝結構能夠實現雙面散熱、失效短路等目標，這是高壓直流輸電系統等需要通過串聯多個功率器件實現高壓的系統的關鍵要求。而傳統焊接型 IGBT 模塊的非平面互連結構，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 為中車時代電氣 PPI 模塊產品的基本結構單元和模塊結構剖面圖。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，將多個基本單元并聯封裝在模塊之中，其主要部件包括陶瓷管殼、管蓋、管座、柵極回路 PCB 等。因此，PPI 模塊的熱設計包括基本單元級和模塊級兩方面。 ?

圖 12 PPI 模塊基本結構單元和整體結構剖面圖 ? 根據 PPI 模塊中使用的材料、尺寸、工藝和應用工況等信息，可以建立精準的熱學仿真模型，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，以進行 PPI 模塊的熱管理設計和優化。圖 14 為 PPI 模塊在不同壓力下的瞬態熱阻抗曲線，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，根據其變化規律可以實現壓裝力范圍的標定。 ?

圖 13 應用工況下 PPI 模塊的溫度分布云圖 ?

圖 14 PPI 模塊在不同壓力下的瞬態熱阻抗曲線 ?

3 結語

IGBT 模塊的熱性能和熱穩定性是模塊設計、表征和應用評估的重要方面。實現快速、高效地對芯片進行冷卻降溫是封裝和應用設計關鍵，將大大提升 IGBT 模塊的性能，降低芯片結溫和功率損耗，從而提高穩定性和可靠性。尤其是隨著IGBT 模塊功率密度的增加、應用環境的惡劣、可靠性和壽命的要求提高，IGBT 模塊的熱設計和熱管理技術是新型產品設計和應用的最重要環節。 ? 本文主要概述了傳統 IGBT 模塊的熱行為及熱設計技術，以及面向柔性直流輸電電網應用的壓接式 IGBT 模塊的熱設計?；?IGBT 模塊的熱阻抗網絡模型，從封裝材料、結構和工藝技術等方面論述了 IGBT 模塊熱設計和熱管理方案。通過新型高熱性能材料的組合，集成化封裝結構和高溫度穩定性封裝技術，可以實現 IGBT 模塊的熱性能、可靠性和壽命的增強和提升。

審核編輯：黃飛

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