摘要：IGBT 模塊正在向小尺寸、大功率的方向發(fā)展，因此散熱問題已成為制約IGBT 模塊可靠性的瓶頸。熱仿真和熱設(shè)計(jì)是IGBT 模塊設(shè)計(jì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。本文系統(tǒng)地對(duì)IGBT 模塊及其散熱系統(tǒng)進(jìn)行全面熱仿真,并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。對(duì)IGBT 模塊的溫度場(chǎng)分布，結(jié)殼熱阻的構(gòu)成等進(jìn)行分析。結(jié)果表明，所建模型能夠準(zhǔn)確計(jì)算模塊的溫度分布。在構(gòu)成結(jié)殼熱阻的4 部分——芯片熱阻、焊料熱阻、覆銅陶瓷板熱阻、銅基板熱阻中，覆銅陶瓷板熱阻為主要部分，占整個(gè)結(jié)殼熱阻的75%以上。

0 引言

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)廣泛應(yīng)用于小體積、低噪聲、高性能的電子設(shè)備

中，如逆變器、不間斷電源(UPS)、逆變電焊機(jī)以及電機(jī)調(diào)速的變頻器中。近年來(lái)隨著人們對(duì)電力電子裝置要求的日漸提高，電子設(shè)備及系統(tǒng)正向小型化、多功能方向發(fā)展，IGBT 模塊也正在向小尺寸、大功率的方向發(fā)展。隨之而來(lái)的是模塊內(nèi)所產(chǎn)生的高熱流密度帶來(lái)的散熱問題，該問題已成為制約IGBT 模塊可靠性的瓶頸，迫使人們對(duì)傳統(tǒng)的熱設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的研究，探索適應(yīng)這一新趨勢(shì)的有效散熱措施。而當(dāng)采用了一項(xiàng)新型熱設(shè)計(jì)技術(shù)時(shí)，產(chǎn)品的身價(jià)也隨之增加。因此, IGBT 模塊散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)模塊的性能和價(jià)值有重要影響。隨著計(jì)算機(jī)軟件的發(fā)展,利用有限元技術(shù)計(jì)算散熱問題已在工程實(shí)際中得到普遍應(yīng)用。

其優(yōu)點(diǎn)是可以對(duì)影響熱分布的諸多因素 (部件幾何尺寸、分布狀態(tài)、導(dǎo)熱材料的傳輸系數(shù)、周圍環(huán)境等)進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬,計(jì)算結(jié)果通過圖形化顯示直觀的溫度場(chǎng)分布,可以高效、高速地應(yīng)用在精度要求不是很苛刻的產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)中。目前，針對(duì)IGBT 模塊的散熱效果研究都只局限于局部的導(dǎo)熱模擬或者散熱器的設(shè)計(jì)。本文主要使用商業(yè)軟件系統(tǒng)地對(duì)IGBT 模塊及其散熱系統(tǒng)進(jìn)行全面熱仿真,并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)IGBT 模塊的溫度場(chǎng)分布，結(jié)殼熱阻的構(gòu)成等進(jìn)行分析。

1 仿真模型

本文研究的型號(hào)為GS100A1200V 的IGBT 模塊。為兩個(gè)IGBT 串聯(lián)構(gòu)成，用柵極電壓來(lái)控制IGBT 的開關(guān)。柵極加15 V 電壓時(shí)，為開通狀態(tài)，此時(shí)IGBT 芯片產(chǎn)生熱負(fù)荷。

1.1 幾何模型

圖 1 為模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。將Al2O3 或 AlN 敷銅陶瓷板—DBC（Direct bond copper）焊接到銅基板上，DBC 的上層銅箔被腐蝕出電路圖形，用于焊接硅片，IGBT 和快恢復(fù)二極管（Fast Recovery Epitaxial Diode，F(xiàn)RED）焊接在DBC 上，連接引線端子以及實(shí)現(xiàn)芯片之間的互連。硅片的頂端電極（IGBT 的發(fā)射極、柵極和二極管的陽(yáng)極）與DBC 之間通過鋁絲鍵合工藝（Wire-bond technology）實(shí)現(xiàn)連接。IGBT 模塊通過螺釘固定在風(fēng)冷散熱器上。

IGBT 模塊及其散熱器的結(jié)構(gòu)尺寸與參數(shù)如表1 所示。

圖1 模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

表1 幾何模型各部分結(jié)構(gòu)尺寸與導(dǎo)熱系數(shù)

1.2 穩(wěn)態(tài)傳熱模型介紹

由于系統(tǒng)溫度較低，可忽略IGBT 模塊及其散熱器與環(huán)境之間的輻射換熱。認(rèn)為只存在導(dǎo)熱與對(duì)流換熱兩種傳熱方式。本文只對(duì)IGBT 模塊穩(wěn)態(tài)熱分布進(jìn)行計(jì)算。IGBT 模塊內(nèi)部的傳熱過程主要為導(dǎo)熱；散熱器與空氣之間的傳熱過程為強(qiáng)迫對(duì)流換熱。使用商業(yè)軟件對(duì)模塊及其散熱器溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬。所加的邊界條件如下：

1. 認(rèn)為產(chǎn)生的熱量在IGBT 上均勻分布，因此在IGBT 上為第二類邊界條件，即均勻的熱流密度，其總的熱流量等于IGBT 的發(fā)熱量。

2. 整個(gè)模塊封裝在塑料盒中，模塊上部用硅凝膠密封保護(hù)，且硅凝膠的導(dǎo)熱系數(shù)很低，可以忽略不計(jì)。因此可以認(rèn)為IGBT 產(chǎn)生的熱量只通過銅基板底面向外界傳遞，其它邊界面上均為絕熱邊界條件。

3. 假定在導(dǎo)熱過程當(dāng)中兩種材料的接觸良好，分界面上溫度與熱流密度連續(xù)。

4. 整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置放在流場(chǎng)中進(jìn)行測(cè)試，入口速度為1 m/s，入口溫度為18.4℃，出口邊界條件為壓力出口。環(huán)境溫度為18.4℃，忽略散熱器與環(huán)境的輻射換熱。

2 實(shí)驗(yàn)裝置

為了保持實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，實(shí)驗(yàn)采用了恒流源給模塊供電，然后使用電壓表讀出功率電路兩端的壓降，即可得到IGBT 的發(fā)熱功率。當(dāng)兩柵極分別加15V 電壓時(shí)，IGBT 模塊開始導(dǎo)通，通過恒流源給定恒定的電流使兩IGBT 產(chǎn)生穩(wěn)定的熱流密度，再通過電壓表測(cè)得模塊的通態(tài)壓降，得到發(fā)熱功率。

本實(shí)驗(yàn)分別測(cè)量了兩個(gè) IGBT 和二極管的溫度以及與他們相對(duì)應(yīng)的銅底板的四個(gè)點(diǎn)的溫度。在測(cè)量測(cè)點(diǎn)溫度時(shí)本實(shí)驗(yàn)采用的是K 型（鎳絡(luò)-鎳硅）熱電偶。實(shí)驗(yàn)裝置如圖2 所示。測(cè)溫點(diǎn)的布置如圖3 所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置圖

        （a）IGBT 及FRED 上的測(cè)點(diǎn)                                  （b）銅基板底面的4 個(gè)測(cè)點(diǎn)

圖3 溫度測(cè)量點(diǎn)分布圖

3 結(jié)果分析

3.1 模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

在 3 種不同的工況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?？刂齐娏鳛?1 A，51 A，72 A，通過電壓表讀出通態(tài)壓降分別為2.371 V、2.865 V、3.382 V。計(jì)算得到在三種不同的工況下的熱耗散功率為73.5W、146.1 W、243.5 W。通過計(jì)算3 種工況下IGBT 散熱系統(tǒng)的溫度場(chǎng)分布,可得模塊及散熱器的溫度場(chǎng)云圖,如圖4 所示,其最高溫度在IGBT 芯片上，3 種工況下分別為41.7 ℃、64.6℃、95.8 ℃。模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值的對(duì)比如表2 所示。

圖4 243.5W時(shí)IGBT及散熱器溫度分布圖

表2 數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

在以上 3 種工況下被測(cè)量的8 個(gè)點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值的最大絕對(duì)誤差為2.8℃，最大相對(duì)誤差為8.2 % 小于10 %，在允許范圍之內(nèi)，所以可以驗(yàn)證模型的正確性，因此數(shù)值仿真的結(jié)果可以模擬實(shí)際情況。

3.2 模塊的結(jié)殼熱阻分析

模塊的結(jié)殼熱阻直接反應(yīng)模塊的熱特性，根據(jù)穩(wěn)態(tài)時(shí)的結(jié)殼熱阻可以對(duì)模塊工作穩(wěn)定后芯片的結(jié)溫進(jìn)行預(yù)測(cè)，確保芯片溫度不超過額定溫度。穩(wěn)態(tài)時(shí)結(jié)殼熱阻的定義為：

其中， T_j 為芯片的結(jié)溫； T_c為殼溫，即銅底板的平均溫度；Q 為單個(gè)芯片的發(fā)熱功率。通過實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬的結(jié)果可以算出模塊在三種不同的工況下的結(jié)殼熱阻均為0.22 K/W，可見其結(jié)殼熱阻為常量，大小只與它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)，不隨加熱功率而變化。由于向硅凝膠傳遞的熱量可以忽略不計(jì)，結(jié)殼熱阻主要包括熱量從芯片通過DBC 板與銅基板向散熱器傳遞過程中的熱阻，即IGBT 芯片(R_chip)、焊料（R_solder）、DBC（R_DBC）、銅基板（R_sub）的熱阻。由數(shù)值模擬分析可得4 部分熱阻如表3 所示。

表3 結(jié)殼熱阻構(gòu)成

其各部分的比例關(guān)系如圖5 所示，可看出DBC 熱阻占了結(jié)殼熱阻的絕大部分，因此減小DBC 的熱阻是減小結(jié)殼熱阻最有效的方法之一。

圖5 結(jié)殼熱阻的構(gòu)成

4 結(jié)論

（1） 對(duì)IGBT 模塊及其散熱器建立了穩(wěn)態(tài)熱分析數(shù)值模型，模擬結(jié)果與傳熱實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比結(jié)果表明，所建數(shù)值模型能夠正確的模擬不同工況下IGBT 模塊及其散熱器的溫度分布。

（2） IGBT 模塊的結(jié)殼熱阻是由芯片、焊料、DBC、銅板四部分熱阻構(gòu)成的，通過模擬分析可得，DBC 板的熱阻占絕大部分，原因是由于DBC 板中的陶瓷導(dǎo)熱系數(shù)很小。因此，提高DBC 板中陶瓷的導(dǎo)熱系數(shù)是減小結(jié)殼熱阻的一種非常有效途徑。

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本文標(biāo)題：IGBT模塊散熱性能的仿真和實(shí)驗(yàn)研究

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