電力電子器件封裝模塊的散熱特性

潘 洋，梁 琳，常文光

（華中科技大學 光電信息學院，湖北 武漢430074）

0 引 言

目前，電力電子器件模塊在國民經(jīng)濟各個領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛，特別是在軌道交通、智能電網(wǎng)、電動汽車、風能、太陽能等領(lǐng)域具有舉足輕重的作用，成為學術(shù)界及工業(yè)領(lǐng)域研究的熱點。然而，電力電子器件的失效問題也隨著功率密度的增加日益突出。因此對電力電子器件內(nèi)部的傳熱規(guī)律進行研究，設(shè)計簡單高效的散熱裝置對解決內(nèi)部的傳熱問題，提高模塊的性能和可靠性有著極其重要的意義［1－3］。

本文將介紹基本的傳熱原理以及典型電力電子器件運行時的熱流導向，同時基于ANSYS有限元仿真模擬軟件重點分析結(jié)構(gòu)參數(shù)包括芯片間距、銅層厚度等對芯片最高結(jié)溫的影響。ANSYS軟件是集結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場等因素分析于一體的大型通用有限元分析軟件，是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計中的高級CAE工具之一［4］。本文基于ANSYS有限元分析軟件對電力電子器件模塊進行常規(guī)建模，施加芯片的輸出功率，經(jīng)仿真得到芯片結(jié)溫及封裝體的溫度分布圖。

1 熱學分析

熱分析在許多工程中扮演重要的角色。研究表明，電子器件的可靠性與工作溫度關(guān)系密切，器件的失效率與溫度成指數(shù)關(guān)系，過熱的溫度成為一種非常危險的破壞因素。因此，在器件內(nèi)部熱場對器件的性能和可靠性有重要影響，熱場分析是設(shè)計中的重要環(huán)節(jié)［5］。

1.1 電力電子器件常見失效原因

電力電子器件失效原因可歸結(jié)為：（1）襯板連接處的熱疲勞；（2）機械震動；（3）潮濕導致化學腐蝕。其中熱疲勞最為常見。隨著功率密度的提升，IGBT模塊內(nèi)部的發(fā)熱量也越來越大。一項關(guān)于塑封功率晶體管失效的統(tǒng)計表明，晶體管的失效率隨溫度的升高呈指數(shù)規(guī)律上升，高溫導致的失效在所有電子設(shè)備失效中所占的比例大于50%。圖1、圖2分別表示了電子設(shè)備失效原因和電子設(shè)備隨溫度上升的失效率［6，7］。

通過大量實驗證明，若器件工作溫度與額定工作溫度相當時，器件仍能工作，但表現(xiàn)出來的電學特性已經(jīng)達不到預期目標，在這種情況下，芯片溫度回到常溫后仍能繼續(xù)正常工作。然而，若器件長時間工作在超過額定工作溫度的情況下，則會引起器件的嚴重失效，即永久性失效，即便溫度回到正常后，器件也無法工作。圖3為因溫度過高引起的器件失效圖，可以看出，由于芯片結(jié)溫過高，芯片有龜裂的現(xiàn)象并且底部有焊料溢出，這是因為：局部溫度過高，熱膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生的熱應(yīng)力不同，位于底板和絕緣基片間的焊接層破裂。

圖1 電子設(shè)備失效原因所占比例

圖2 溫度上升時電子設(shè)備失效率

圖3 高溫引起的電力電子器件失效

由此看來，設(shè)計出最優(yōu)散熱結(jié)構(gòu)對大功率器件的正常運行十分重要。

1.2 電力電子器件基本結(jié)構(gòu)及傳熱機理

根據(jù)熱力學第二定律，熱總是自發(fā)地從較熱的區(qū)域流向較冷的區(qū)域。熱量傳遞的三種方式為：傳導、對流和輻射。

圖4為某型號大功率IGBT芯片的俯視圖和截面圖。從圖4中的側(cè)視圖可以看出，模塊內(nèi)部的主要部分為：芯片、襯板、底銅板。其中芯片與襯板之間、襯板與底銅板通過焊料相連，襯板實際上是由三層結(jié)構(gòu)組成，即上銅層－陶瓷層－下銅層（圖中未標出）。

圖4 IGBT芯片構(gòu)造圖

由于二極管芯片主要起續(xù)流作用，發(fā)熱量很小，幾乎可以忽略［7］。從側(cè)面圖看，IGBT內(nèi)部有一個較大體積的空腔，芯片埋置在硅凝膠中。由于硅凝膠和空氣的導熱系數(shù)很低，硅凝膠為0.15 W／（m·℃），而空氣的導熱系數(shù)約為0.026 W／（m·℃），此外內(nèi)部空氣與硅凝膠也不存在對流換熱的過程，因此可以忽略以上兩者對芯片散熱的影響。從結(jié)構(gòu)上看，芯片焊于DCB襯板上，而DCB襯板焊于底銅板上，熱量從芯片散出，經(jīng)過一系列導電層、電介質(zhì)層及焊料層最終傳到了底銅板，最后傳遞到空氣中去。圖5為熱量流向圖。

圖5 器件內(nèi)部熱量流向圖

2 外部散熱方式

2.1 風冷

風冷是電力電子設(shè)備中最常用的冷卻方式。從熱量流向的角度來說，風冷是基于銅底板與空氣分子的對流換熱方式將底銅板的熱量隨空氣分子帶走。根據(jù)牛頓冷卻方程：

式中，φ為熱流量，表示單位時間傳遞的熱量；q為熱流密度，表示單位時間通過單位面積傳遞的熱量；tw和tf分別代表銅底板溫度和空氣溫度；A代表銅底板有效散熱面積；h為對流換熱系數(shù)，表示流體與固體表面間對流換熱的強烈程度。

從式（1）中可以看出，散熱面積越大，對流換熱系數(shù)越大，散熱越好。但實際情況是，芯片模塊的底銅板面積是一定，為了克服散熱面積較小這一缺陷，底銅板往往被連接到一個更大的鰭片結(jié)構(gòu)的散熱器以獲取更大的散熱面積，最終熱量是通過在這個散熱器上與空氣的對流作用散出。此外，通過增加對流換熱系數(shù)也可以達到散熱優(yōu)化的目的，常用的方法是通過強制空氣對流代替普通空氣對流。但相關(guān)文獻指出適當提高風速有利于熱阻的降低，但風速超過5 m／s之后再提高已無多大意義［10，11］。

2.2 水冷

雖然風冷方式成本低廉，但風冷本身受到散熱結(jié)構(gòu)的限制。根據(jù)相關(guān)文獻［12］，空氣強制對流換熱系數(shù)最大約100 W／（m2℃），而水強制對流的換熱系數(shù)高達15 000 W／（m2℃），是氣體強制對流換熱系數(shù)的百倍以上，水沸騰換熱系數(shù)更高，可以達到25 000 W／（m2℃）。

2.3 微通道冷卻

微通道的應(yīng)用結(jié)合了增加散熱面積和水冷散熱的共同優(yōu)勢。相比于前兩種散熱方式，微通道更有利于大功率器件模塊的散熱。但微通道的刻蝕技術(shù)是難點，一般情況下導流槽直接的寬度精確度為微米級別，因此導流槽結(jié)構(gòu)的制作對實驗設(shè)備的要求較高。

除了以上的冷卻方式外，還有一些新型的制冷方式正在研究，例如熱管制冷、埋入式制冷、TSV硅通孔制冷等。

3 模塊內(nèi)部分析

本實驗通過ANSYS有限元軟件對芯片模塊建模，改變相關(guān)參數(shù)得出影響芯片最高結(jié)溫的主要因素。通過剖析某型號4－芯片模塊，得到其內(nèi)部參數(shù)，如表1所示。模塊尺寸參數(shù)為：整個下層散熱銅板尺寸為102 mm×61 mm，襯板尺寸為74 mm×55 mm。襯板上方的每個IGBT為11.5 mm×11.5 mm。圖4（b）所示IGBT截面各層參數(shù)如表1所示。

表1 IGBT材質(zhì)參數(shù)

根據(jù)上一節(jié)的分析得出，模塊內(nèi)部的熱量主要從芯片垂直向下傳遞，因此建立模型時，忽略IGBT模塊上部的硅凝膠、連線等其它部分，得到如圖6模型。

圖6 電力電子器件仿真模型

為了分析影響電力電子器件的散熱因素，分別改變芯片間距、襯板厚度及材料、底銅板厚度進行單變量分析。實驗設(shè)置底銅板與空氣對流換熱系數(shù)為1 000 W／（m2℃），每個芯片功耗設(shè)置為400 W。

3.1 芯片間距

芯片間距指的是圖6所示中處于斜對角線方向上兩芯片之間的距離。傳統(tǒng)文獻沒有將這一因素作為重點分析對象。事實上，芯片間距決定了熱源的分布以及散熱密度。將芯片間距從4 mm增至60 mm，逐次仿真模擬，得出芯片結(jié)溫隨芯片間距增大的變化趨勢，如圖7。

圖7 芯片結(jié)溫隨芯片間距的變化

可以看出，芯片結(jié)溫隨芯片間距的增加先降后升，這是因為，IGBT芯片距離較小時，導致熱源分布集中，熱量難以散發(fā)；但芯片間距過大時，由于此時IGBT芯片幾乎處于底銅板邊緣位置，沒有全面利用底銅板的散熱作用，結(jié)溫也有增加的趨勢。綜合考慮，當各芯片在銅底板上分布最均勻時，底銅板利用最充分，芯片結(jié)溫最低。

3.2 DCB襯板

典型的DCB襯板是由上銅層－陶瓷層－下銅層三層結(jié)構(gòu)組成，目前已投入使用的高導熱陶瓷基片材料有AlN、SiC和BeO等。Al2O3陶瓷是目前應(yīng)用最廣泛的陶瓷封裝材料，占據(jù)陶瓷基片材料的90%，其價格低廉、耐熱沖擊性和電絕緣性較好、化學穩(wěn)定性好、制作和加工技術(shù)成熟［6，7］。BeO陶瓷雖然具有較高的熱導率，但是其有致命毒性，生產(chǎn)成本高是阻礙其生產(chǎn)和應(yīng)用的主要原因。AlN陶瓷具有良好的熱導率，熱膨脹系數(shù)與芯片材料更匹配，材質(zhì)堅硬，能制成很薄的材料。但是AlN陶瓷的成本高，制備工藝復雜，故至今未能得到大規(guī)模的應(yīng)用［9］。圖8分別列出了Al2O3、AlN、SiC和BeO材質(zhì)陶瓷及其厚度對散熱的影響。

圖8 不同材質(zhì)陶瓷層對芯片結(jié)溫的影響

相比之下，熱導率較大的BeO、AlN、SiC隨厚度增加對結(jié)溫影響較小。這一結(jié)果對實際封裝設(shè)計過程有著重要的意義，若使用低熱導率的材料，主要考慮的重點是散熱問題，因為基板厚度過大會影響器件散熱；而使用高熱導率材質(zhì)，由于陶瓷厚度對結(jié)溫影響不大，則可以考慮使用厚度稍大的陶瓷層以增加襯板的剛性。

3.3 底銅板

底銅板作為熱沉，主要起散熱作用。圖9為底銅板厚度對芯片散熱的影響。

圖9 芯片結(jié)溫隨底銅板厚度的變化

可以看到，在小尺寸范圍內(nèi)，芯片結(jié)溫隨著銅層厚度增加而降低，隨著厚度繼續(xù)增加，芯片結(jié)溫將呈上升趨勢。因此，對于每個模塊封裝，都存在一個“最佳厚度”使得芯片結(jié)溫最低。

4 總 結(jié)

由于功率密度的提高，電力電子器件封裝模塊的散熱問題越來越嚴重，解決散熱問題的方法可以通過外部散熱途徑優(yōu)化以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化。外部散熱方式有風冷、水冷、微通道等方式。在研究功率模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化的過程中，通過ANSYS軟件建立經(jīng)典IGBT模塊封裝模型，通過仿真發(fā)現(xiàn)：當芯片分布均勻時散熱效果最好，使用導熱系數(shù)較差的Al2O3時，芯片散熱效果較差，且結(jié)溫隨陶瓷層厚度增加成正比關(guān)系；使用導熱系數(shù)較高的材質(zhì)，芯片散熱效果較為理想，且陶瓷厚度對其影響不大；在小范圍內(nèi)，芯片結(jié)溫隨底銅板厚度增加而下降，之后芯片結(jié)溫隨厚度增加而升高，因此，存在一個使芯片結(jié)溫最低的底銅板“最佳厚度”。

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