IGBT的四大散熱技術(shù)發(fā)展趨勢

作者：蘭洋科技????瀏覽量：6150????時間：2023年08月25日????標簽: IGBT模塊 IGBT芯片水冷散熱

熱學(xué)特性是功率器件的靈魂! 芯片工作產(chǎn)生的熱量通過不同的介質(zhì)、界面?zhèn)鬟f到散熱器，將熱量散出，傳遞路徑的熱阻用Rthjc來表示。

Note:

1）芯片面積越大，熱阻越?。?/p>

2）熱阻并非恒定值，受脈寬、占空比等影響；

3）對于新能源汽車直接冷卻，熱阻受冷卻液流速的影響；

對于模組來講，技術(shù)迭代主要圍繞封裝和連接。目前電機逆變器中IGBT模塊普遍采用銅基板，上面焊接覆銅陶瓷板（DBC，DirectBond Copper），IGBT 及二極管芯片焊接在DBC板上，芯片間、芯片與DBC板、芯片與端口間一般通過鋁綁線來連接，而基板下面通過導(dǎo)熱硅脂與散熱器連接進行水冷散熱。模組封裝和連接技術(shù)始終圍繞基板、DBC板、焊接、綁定線及散熱結(jié)構(gòu)持續(xù)優(yōu)化。

1）芯片間連接方式：鋁線/鋁帶→銅線→平面式連接。

目前IGBT芯片之間大多通過鋁線進行焊接，但線的粗細限制了電流強度，需要并聯(lián)使用、或者改為鋁帶連接，但是鋁質(zhì)導(dǎo)線由于材料及結(jié)構(gòu)問題易產(chǎn)生熱疲勞加速老化斷裂導(dǎo)致模塊失效。

因此，Danfoss等廠商引入銅導(dǎo)線來提高電流容納能力、改善高溫疲勞性能，三菱電機、德爾福及賽米控則分別采用CuLead Frame（引線框架）、對稱式的DBC板及柔性電路板實現(xiàn)芯片間的平面式連接，并與雙面水冷結(jié)構(gòu)相結(jié)合進一步改善散熱，維持模塊的穩(wěn)定性。

2）散熱結(jié)構(gòu)：單面間接散熱→單面直接水冷→雙面水冷結(jié)構(gòu)。

最初的間接散熱結(jié)構(gòu)是將基板與散熱器用導(dǎo)熱硅脂進行連接，但導(dǎo)熱硅脂散熱性較差，根據(jù)Semikron公司的《功率半導(dǎo)體應(yīng)用手冊》，貢獻了芯片到散熱器之間50%以上的熱阻。

單面直接水冷結(jié)構(gòu)在基板背面增加針翅狀（PinFin）散熱結(jié)構(gòu)，無需導(dǎo)熱硅脂，直接插入散熱水套中，熱阻可降低40%以上。富士的第三代單面直接水冷結(jié)構(gòu)則將基板散熱針翅與水套實現(xiàn)一體化，進一步降低30%的熱阻。目前英飛凌HP2/HPDrive、三菱電機J1系列、比亞迪V-215/V-315等主流汽車IGBT模塊均采用單面直接水冷結(jié)構(gòu)。

目前雙面水冷的結(jié)構(gòu)也開始逐步應(yīng)用廣泛，普遍在芯片正面采用平面式連接并加裝Pin-Fin結(jié)構(gòu)實現(xiàn)雙面散熱，目前代表性的應(yīng)用包括InfineonHP DSC 模塊、德爾福Viper模塊（雪佛蘭Volt）及日立的雙面水冷模塊（奧迪e-tron）。

3）DBC板及基板：材料迭代

未來DBC板的材料由Al2O3→AlN→Si3N4迭代，基板材料由Cu向AlSiC迭代。

基板與DBC 板材料、以及DBC板與Si基芯片之間膨脹系數(shù)的差異決定了在大的溫度變化時連接層是否會出現(xiàn)變形和脫落。DBC板材料需要重點考慮與Si基芯片熱膨脹系數(shù)的匹配因素，其次考慮是否具備高熱導(dǎo)率，目前應(yīng)用最廣的Al2O3陶瓷材料熱導(dǎo)率較低、且與芯片的膨脹系數(shù)差異較大，局限性很明顯，AlN、Si3N4憑借與Si材料更為接近的熱膨脹系數(shù)、更高熱導(dǎo)率開始逐步導(dǎo)入，比如德爾福Viper模塊應(yīng)用AlN陶瓷材料。

基板與散熱器直接相連，需要重點考慮熱導(dǎo)率，其次考慮與芯片、DBC之間熱膨脹系數(shù)的匹配，目前常用銅基板來實現(xiàn)快速散熱，而AlSiC熱導(dǎo)率雖不如銅，但熱膨脹系數(shù)更接近芯片及DBC，能夠有效改善模塊的熱循環(huán)能力，滲透率快速提升。另外有部分廠商直接采取無基板的設(shè)計策略，比如賽米控汽車級功率模塊SkiM直接將DBC通過高性能導(dǎo)熱硅脂直接壓在散熱器上，配合銀燒結(jié)技術(shù)最終將其溫度循環(huán)能力提高15倍。

4）芯片、DBC板以及基板間連接方式：SnAg焊接→SnSb焊接、Ag/Cu燒結(jié)

目前芯片之間的綁定線、芯片與DBC板及DBC板與基板間的連接普遍通過SnAg焊接的方式，但溫度循環(huán)產(chǎn)生應(yīng)力容易導(dǎo)致DBC板和散熱基板之間焊接層出現(xiàn)裂縫，焊接老化也會引起芯片溫度上升，最終影響模塊的壽命。

因此SnSb焊接、低溫銀燒結(jié)、銅燒結(jié)等技術(shù)逐步引入，比如富士電機車載IGBT模塊在DBC和基板之間采用SnSb焊接代替SnAg焊接抑制裂痕擴展。

Semikron的SKiN技術(shù)采用Ag燒結(jié)，日立汽車功率模塊采用Cu燒結(jié)，實現(xiàn)穩(wěn)定的連接、更優(yōu)的溫度特性更長的壽命。

其中，根據(jù)Semikron官網(wǎng)，Ag燒結(jié)層厚度比焊接層至少薄70%，熱導(dǎo)率提升3倍，熱阻減小為1/15，但成本較高，Cu燒結(jié)的抗電子遷移能力及熱循環(huán)能力更好，成本相較于Ag也明顯降低，但燒結(jié)易出現(xiàn)氧化，對模塊廠商的技術(shù)能力要求非常高。