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IGBT 模块的散热设计问题结构方式

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发表时间:2021-07-23 11:59

摘要:总结IGBT模块的热特性和热设计,说明IGBT模块的热阻网络模块和与封装材料的热性能和尺寸的关系,从芯片和模块封装材料、结构等方面讨论模块的热设计要点,阐述传统IGBT模块的热压模块。

原文链接。
DOI:10.11930/j.issn.1004-9649.202007137。

关键词:IGBT模块;热设计;可靠性。

摘自:中国电力


IGBT模块概念

大功率半导体设备是实现能源生产、传输、转换和控制的单元,是电力电子系统的最核心部件,大大决定了电力系统的性能、效率、可靠性、成本、体积和重量。


IGBT模块结构

为了满足大功率系统的需求,一般将 IGBT 和 FWD 芯片并联封装成 IGBT 模块结构。IGBT 模块除实现芯片之间的电学互连、动单元及外部主电路的连接之外,还起到支撑、保护、散热等作用。


IGBT模块散热设计的意义

IGBT等功率半导体部件不是理想的开关部件,在导通状态下,芯片本身有一定的阻力,产生通态损失的开关过程中,由于时间延迟,电压和电流的重叠产生了开关损失。功率损失导致芯片结温(Tj)上升,超过允许的最高结温(Tjmax)时发生热故障。因此,必须降低高Tj对芯片的损害,必须迅速高效地发出损失产生的热量,提高芯片的可靠性和寿命。

IGBT模块的封装技术对行业和用户具有至关重要的意义,IGBT模块的设计、制造、测试和可靠性一直是电力半导体开发的重点课题之一。




IGBT模块的热设计通过结构、材料和包装技术等设计,将芯片降低到外壳(基板)的热阻(Rthtj-c)和热时间常数(tu),实现快速高效的设备产生的热量传播到外壳。另外,在实际应用中,还需要通过系统的热管理技术,有效地将到达模块壳体的热流传播到外部散热器或冷却系统中。



IGBT模块的结构剖面
传统IGBT模块的结构剖面图如图1所示,通过陶瓷衬板实现芯片与外部的绝缘,基板起到散热、支撑和与外部散热器接触的作用,通过铝引线键合、焊接层实现电学的连接和连接。


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IGBT模块结构的热设计方案。
直接水冷散热结构。


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水冷散热通过相变材料的物质状态改变吸收热量,如液体蒸发成气体的过程。热管或蒸汽腔室就是利用液体相变过程实现散热的结构,具有较高的散热效率,在功率半导体器件和系统的热管理中已经应用。但该结构一般作为外部散热设计,应用于功率模块之外。将热管或蒸汽室结构集成到模块封装中,实现高效散热和紧凑封装。



IGBT模块的热性能和热稳定性是模块设计、表现和应用评价的重要方面。实现快速高效冷却芯片是包装和应用设计的关键,大大提高IGBT模块的性能,降低芯片的温度和功率损失,提高稳定性和可靠性。特别是随着IGBT模块功率密度的增加,应用环境的恶劣、可靠性和使用寿命的要求提高,IGBT模块的热设计和热管理技术是新产品设计和应用的最重要环节。


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