高功率航空電子系統(tǒng)IGBT封裝設(shè)計(jì)初探

李 紅，楊建生，李守平

1 引言

在諸如功率轉(zhuǎn)換及功率驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域，航空器越來越多地采用電子系統(tǒng)替代傳統(tǒng)的機(jī)械、液壓與氣動(dòng)系統(tǒng)。例如，由歐洲某公司研制的全球最大的民航客機(jī)A380要求電源總?cè)萘繛?00kVA。電子電力系統(tǒng)提供的新應(yīng)用，對(duì)重量節(jié)省增加了功能性和潛在性，大量的驅(qū)動(dòng)器采用諸如具有可靠性和適用性的電子系統(tǒng)。電力電子系統(tǒng)包含半導(dǎo)體器件諸如絕緣柵雙極型晶體管（IGBTs）等，這些器件轉(zhuǎn)變高電流，因此具有高功耗。在這些系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，熱管理是關(guān)鍵問題。

傳統(tǒng)高電力電子應(yīng)用諸如電力傳輸、工業(yè)驅(qū)動(dòng)及機(jī)車牽引控制系統(tǒng)，是基于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體封裝結(jié)構(gòu)的，把這些封裝構(gòu)型用螺釘固定到特定應(yīng)用選擇的散熱器上。這些用螺釘固定的界面產(chǎn)生了重要的、且對(duì)傳熱難以控制的阻力，結(jié)果造成裝置體積大重量重。有集成散熱器的特定應(yīng)用封裝，具有為更多高要求的應(yīng)用提供在尺寸和重量方面大幅度縮減的潛力。

本文中考慮的設(shè)計(jì)情形研討，是在電力轉(zhuǎn)換器中應(yīng)用的半導(dǎo)體封裝技術(shù)，器件在高頻率狀況下進(jìn)行轉(zhuǎn)換，確保良好的輸入、輸出電流波形。半導(dǎo)體中耗費(fèi)功率，因此散熱器重量隨著轉(zhuǎn)換器頻率增加，相反在更高的頻率狀況下，相關(guān)濾波元件將會(huì)變得更小更輕。因此，整個(gè)系統(tǒng)重量的最佳化涉及到散熱器技術(shù)和濾波技術(shù)各項(xiàng)要求之間的權(quán)衡，而不是僅僅取決于特定功率耗費(fèi)最佳化的散熱器設(shè)計(jì)。

1.1 功率半導(dǎo)體封裝結(jié)構(gòu)

盡管在更多高要求的應(yīng)用中采用鑄造和裝配的散熱器數(shù)量在增加，但高功率器件諸如IGBTs是采用如圖1所示結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)封裝，把芯片焊接到絕緣導(dǎo)熱（直接敷銅）基板（DBC），依次焊接到封裝基底。從半導(dǎo)體器件穿過各種電傳導(dǎo)、電介質(zhì)及連接層，接著通過有螺釘?shù)慕缑孢M(jìn)入典型的擠制鋁散熱器傳熱。熱量通過散熱片傳導(dǎo)，傳遞到了較大的界面區(qū)域，主要通過對(duì)流熱量最終從這些區(qū)域傳遞到冷介質(zhì)。

圖1 傳統(tǒng)功率半導(dǎo)體封裝及散熱片

在集成的散熱器設(shè)計(jì)中，仍通過各種層傳熱，這與傳統(tǒng)封裝中的傳熱一樣（存在消除部分層的機(jī)會(huì)），但可把散熱片直接粘附到如圖2所示的封裝底板上。此類結(jié)構(gòu)，為重量節(jié)省提供了潛力，但增加散熱片技術(shù)將依賴于采用的封裝環(huán)境和特定電路設(shè)計(jì)中器件功率損耗，而不是依賴于器件的額定電流值，因此，此封裝適合特定應(yīng)用。在討論的封裝設(shè)計(jì)中，選擇的基底板材料為碳化硅/鋁金屬基質(zhì)化合物（MMC），研發(fā)的化合物具有低密度、低熱膨脹系數(shù)和高熱導(dǎo)性。表1給出了在半導(dǎo)體封裝中采用的典型材料的關(guān)鍵熱特性。

盡管HIVOL C的低密度也可與一定期限的大容積熱能的銅相比較，為瞬態(tài)熱特性的重要因素。分析的封裝設(shè)計(jì)需要把散熱片壓焊進(jìn)入高容積基底板的窄孔中，作為要求完全與基底板集成的高縱橫比冷卻片的制造，這是要付出巨大代價(jià)。冷卻片方法中的鍵合，允許針對(duì)不同的應(yīng)用選擇不同的冷卻片長(zhǎng)度。

表1 部分典型半導(dǎo)體封裝材料的熱機(jī)械特性

圖2 集成散熱片功率半導(dǎo)體封裝

2 散熱片熱傳遞建模

在電力設(shè)備諸如計(jì)算機(jī)工作臺(tái)的強(qiáng)制風(fēng)冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，在外殼范圍之內(nèi)氣流是不受約束的，必須采用復(fù)雜的3D流體模型來評(píng)定外殼范圍之內(nèi)氣流分配，及其如何與單個(gè)半導(dǎo)體器件散熱器相互作用。然而，考慮到此類高功率系統(tǒng)，將通過管道把冷卻氣流輸送到散熱器，因此，當(dāng)考慮散熱器片設(shè)計(jì)時(shí)，僅需給出兩種狀況，即必須選擇冷卻片尺寸來獲得足夠的冷卻，同時(shí)，必須保持通過冷卻片的壓力降到某一水平，以便通過冷卻氣供給系統(tǒng)，可提供系統(tǒng)需要的氣流。由于氣流為簡(jiǎn)單的輸氣管流，試驗(yàn)關(guān)系式可充分模擬這些參數(shù)，極大地簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過程。

冷卻片表面溫度Tfin，依賴于周圍的溫度Tambient，當(dāng)從冷卻片吸收熱時(shí)，空氣的溫度上升，ΔTair冷卻片的溫度上升高于在冷卻管道中的空氣溫度上升ΔTfin-air。圖3所示的板散熱片幾何圖形得到簡(jiǎn)單試驗(yàn)關(guān)系式，用于估計(jì)在任何高度或環(huán)境溫度下散熱片及空氣溫度上升。

圖3 表示典型板翅式散熱片圖形

溫度升高要求從散熱片傳遞給定的熱量，這依賴于通過散熱片空氣的移動(dòng)速度，并且空氣速度依次依賴于散熱片幾何圖形尺寸及氣團(tuán)的氣流率。散熱片幾何圖形溫度升高如圖3所示，與下列公式中的這些變量有關(guān)：

式中，C是與壓力和周圍冷卻空氣溫度有關(guān)的系數(shù)；ΔTfin-air通過散熱片高于空氣流的散熱片表面的溫度升高（℃）；Q為傳遞的總功率（瓦特）；W為通道的寬度；Z為散熱片的高度；L為沿著氣流方向散熱片的長(zhǎng)度；n為通風(fēng)管道的數(shù)量；f為總氣流（CFM）。由關(guān)系式做出主要的簡(jiǎn)化假設(shè)為：①氣流是不穩(wěn)定的；②通風(fēng)管道與其基底上的高度相比，是狹窄的；③散熱片傳導(dǎo)完美。盡管這些關(guān)系近似特性，但等式在估計(jì)設(shè)計(jì)冷卻能力方面是有用的，并且對(duì)研究在散熱片尺寸改變時(shí)性能的影響也有用。

散熱片幾何圖形不能僅僅以傳熱為基礎(chǔ)進(jìn)行選擇，也要考慮需要迫使空氣穿過散熱片的壓力。在設(shè)計(jì)良好的冷卻系統(tǒng)中，壓降的主要部分在散熱片，散熱片的尺寸大小既影響熱傳遞，也影響壓力降，任一設(shè)計(jì)為兩者之間的最佳平衡。評(píng)定通過散熱片的壓力降的近似公式與散熱片尺寸大小存在函數(shù)關(guān)系，可用于確定散熱片尺寸方面的改變對(duì)壓力降的影響。

3 封裝中的導(dǎo)熱模型

在典型情況下，IGBT封裝包含兩個(gè)或更多單個(gè)IGBT器件，及其相關(guān)的保護(hù)二極管，因此在封裝內(nèi)部每個(gè)器件的真實(shí)溫度降依賴于各種器件的設(shè)計(jì)排放。為了評(píng)定芯片之間的溫度變化，3D模型技術(shù)是必要的。然而采用高度簡(jiǎn)易的模型方法，更精確地評(píng)定其溫度是可能的。

3.1 一維模型

采用在上面討論的關(guān)系式研討IGBT的分析模型和其要求的散熱器安置，確定好模型參數(shù)并記錄在表中，探討不同幾何圖形、材料、周圍環(huán)境條件和氣流速率對(duì)IGBT結(jié)溫的影響。

對(duì)具有恒定熱負(fù)載的棱形板材料而言，兩個(gè)面之間可采用一維熱傳導(dǎo)的基本關(guān)系。然而電子封裝中見到的結(jié)構(gòu)，適于沿?zé)崧窂絺鲗?dǎo)的區(qū)域通常不是恒定的。已推導(dǎo)出的關(guān)系允許此類狀況中熱阻的近似計(jì)算，這些分析顯示的熱流，僅僅近似地表示橫向的熱傳播，對(duì)于封裝每層中傳播遠(yuǎn)近，必須采用部分判斷。整個(gè)封裝的熱阻，通過單層熱阻求和來估算。

3.2 二維傳導(dǎo)模型

分析傳熱模型，雖然有用于設(shè)計(jì)的快速評(píng)定，但其使用是受限的，作為在不同的各層內(nèi)部的傳熱，僅僅是粗略近似的，要令人滿意地模擬瞬時(shí)狀況比較困難。因此，要完成對(duì)有關(guān)設(shè)計(jì)進(jìn)行更進(jìn)一步的分析，探討功率瞬變對(duì)芯片溫度的影響，需要更詳細(xì)的模型。

通常使用軸對(duì)稱FE建模技術(shù)，作為結(jié)構(gòu)模擬技術(shù)，它們對(duì)有關(guān)旋轉(zhuǎn)軸是對(duì)稱的，并受到軸對(duì)稱邊界狀況的影響。軸對(duì)稱模型在非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱結(jié)構(gòu)中的替代模型是有效的，諸如半導(dǎo)體粘片，盡管這樣的模型不能充分地捕獲此結(jié)構(gòu)角上的各種應(yīng)力，表明了軸對(duì)稱模型能充分地模擬此類結(jié)構(gòu)的熱阻。

軸對(duì)稱模型已被用于瞬時(shí)熱特性的評(píng)定，以避免完全3D模型的復(fù)雜性。圖4所示給出了IGBT封裝結(jié)構(gòu)的軸對(duì)稱圖，圖中每一層近似地作為與真正的幾何體中體積相一致的圓柱體，每層半徑r可通過下列關(guān)系式計(jì)算：

這里x和y為該層頂部表面的尺寸，從散熱器基底對(duì)流傳遞到周圍的情況，可近似地通過恒定的傳熱系數(shù)表示。此處考慮散熱片引起的對(duì)延伸的表面區(qū)域的影響。圖5所示給出了采用DBC結(jié)構(gòu)層安裝到基板上的芯片的軸對(duì)稱有限元模型。

圖4 IGBT結(jié)構(gòu)的軸對(duì)稱表示圖

圖5 IGBT散熱片結(jié)構(gòu)2D軸對(duì)稱FE模型

3.3 三維模型

三維（3D）結(jié)構(gòu)最精確的圖形是完全的3D FE模型，并且只有運(yùn)用此模型，可確定模塊內(nèi)IGBTs布局缺陷的詳細(xì)情況。制造缺陷諸如焊點(diǎn)空洞，也可采用3D模型進(jìn)行令人熱滿意的模擬。然而，此類模型研發(fā)較困難，原因在于模型內(nèi)自由度大，增多了模擬次數(shù)和結(jié)果。三維模型僅對(duì)特定設(shè)計(jì)的詳細(xì)評(píng)定是可行的，而對(duì)大量的設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)分析是不可行的。

4 建模結(jié)果

4.1 一維

依據(jù)前面提到的關(guān)系式，對(duì)基于功率半導(dǎo)體封裝分析模型的電子表格進(jìn)行研討，考慮不同幾何圖形、各類材料和氣流率對(duì)熱性能的影響，把此電子表格分為兩部分。首先計(jì)算結(jié)構(gòu)中每層的熱阻，并使用這些數(shù)值估算基于給定功率和結(jié)溫最大值的散熱片可允許的溫度最大值。接著，采用此信息計(jì)算散熱器片高度的要求。用參數(shù)表示散熱片的數(shù)量和散熱片寬度等，以便分析不同散熱片構(gòu)型的影響。對(duì)每個(gè)散熱片幾何圖形，通過散熱片的壓力降，以及結(jié)構(gòu)的重量和體積來判定適合的片狀，允許使用者選擇最佳設(shè)計(jì)圖形。

使用電子表格來評(píng)估用于有集成散熱器的IGBT封裝的散熱要求，總的功耗平均擴(kuò)散到很多IGBTs，其最大可允許的持續(xù)結(jié)溫為125℃。采用鋁土DBC基底，把器件安裝到封裝基板。計(jì)劃把模塊用于航空功率轉(zhuǎn)換，因此假定按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最壞狀況設(shè)定氣冷，即在空氣中70℃，流動(dòng)速率220kg/小時(shí)·kw，空氣壓力0.5大氣壓，也設(shè)定功率均勻耗散在IGBTs的頂部面結(jié)合區(qū)域。

4.2 二維

對(duì)預(yù)料的穩(wěn)態(tài)功耗最大值而言，圖6所示給出了結(jié)構(gòu)內(nèi)部預(yù)計(jì)的穩(wěn)態(tài)溫度的等值線圖。采用電子數(shù)據(jù)表模型計(jì)算熱傳遞系數(shù)，并應(yīng)用于整個(gè)較低的模型表面。在超負(fù)荷階段，軸對(duì)稱模型技術(shù)在研究組裝瞬態(tài)溫度上升的中具有特殊價(jià)值。針對(duì)瞬態(tài)模擬，將采用名義上204W負(fù)載計(jì)算的結(jié)構(gòu)內(nèi)部的穩(wěn)態(tài)溫度，作為初始狀況使用，那么此模塊經(jīng)受5秒465W的瞬態(tài)熱負(fù)荷。

圖6 表示模塊內(nèi)部預(yù)測(cè)的穩(wěn)態(tài)溫度的等值線圖

從這些模擬中發(fā)現(xiàn)，對(duì)初始模塊設(shè)計(jì)而言，176℃的峰值溫度預(yù)計(jì)在5秒鐘超載后發(fā)生。這是在規(guī)定的超載狀況下，認(rèn)為是過度的溫度升高造成的，因此盡力把最大結(jié)溫降低到150℃。此工作要求仔細(xì)選擇介質(zhì)材料、基板厚度和尺寸，以及IGBTs的數(shù)目。芯片數(shù)量的增加，降低了每個(gè)器件的功耗，這反過來降低了器件的峰值溫度。

更進(jìn)一步完成2D模擬，以便探討增加芯片數(shù)量、增大基板面積和厚度出現(xiàn)的結(jié)果。結(jié)果表明，采用12個(gè)較小的芯片（9mm×7mm）替代4個(gè)12mm×12mm的芯片，可顯著地降低峰值結(jié)溫。

更進(jìn)一步探討建立封裝的最佳穩(wěn)態(tài)基底厚度，研究結(jié)果表明，最大結(jié)溫與基板厚度存在函數(shù)關(guān)系。由于在基底內(nèi)部橫向?qū)α髟龃?，隨著基底厚度的增加，預(yù)料的結(jié)溫開始下降。由于基底厚度過度增大，隨著經(jīng)受熱阻的增大，結(jié)溫升高。

4.3 三維

為了得到最佳的熱特性，試圖考慮幾種不同的基底尺寸，采用不同的標(biāo)準(zhǔn)芯片尺寸，如9mm×7mm和12mm×12mm，進(jìn)行幾種不同的設(shè)計(jì)布局。IGBTs的數(shù)目影響每個(gè)芯片的功耗，基底尺寸和厚度控制適用于吸收功率瞬變的熱質(zhì)量。

為了簡(jiǎn)化模擬工作，減少模擬次數(shù)，初始3D模擬采用了在電子數(shù)據(jù)表模型中使用分析方程計(jì)算得出的熱傳遞系數(shù)，表示散熱片的熱損失，此系數(shù)通常使用于粘附散熱片的基底的較低表面區(qū)域。

對(duì)8個(gè)芯片同軸布局的模擬結(jié)果如圖7所示，盡管此布局可以確保所有芯片經(jīng)受相同溫度的冷卻空氣，然而，發(fā)現(xiàn)比改進(jìn)的設(shè)計(jì)產(chǎn)生了器件之間傳播的更高的峰值溫度，改進(jìn)的設(shè)計(jì)是采用如圖8所示的12個(gè)芯片的完全交錯(cuò)布局。這12個(gè)芯片設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是降低了每個(gè)芯片的功耗，降低了相鄰芯片熱流間的相互影響。

圖7 8個(gè)芯片一行排列IGBT散熱片結(jié)構(gòu)的3D FE模型之上溫度再分布

圖8 完全交錯(cuò)式12芯片IGBT散熱片布局的穩(wěn)態(tài)溫度再分布圖

有關(guān)這些布局分析的結(jié)果形成了對(duì)改進(jìn)的熱性能的下列設(shè)計(jì)規(guī)則，圖9所示為芯片布局的設(shè)計(jì)樣品圖。

圖9 芯片布局選擇方法

由于對(duì)通過散熱片空氣的加熱，為了避免第二排IGBTs經(jīng)受更高環(huán)境溫度，IGBTs應(yīng)按常規(guī)空氣流的方向排列，沿著空氣流方向的任何一排只有單個(gè)芯片。

IGBTs應(yīng)完全交錯(cuò)式排列，如圖9（c）所示，以便器件之間未填充區(qū)域是相同的。這種布局策略使IGBTs的峰值溫度伸展最小化，因此提高了器件之間的均流。

采用電子數(shù)據(jù)表模型和上面給出的指導(dǎo)方針，選擇已改進(jìn)的模塊設(shè)計(jì)，使10個(gè)芯片進(jìn)行完全交錯(cuò)式布局。與8個(gè)芯片進(jìn)行比較，雖然此設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是既降低了每個(gè)芯片的功耗，又降低了來自相鄰芯片熱流間的相互影響，比12個(gè)芯片模塊又更低的成本。對(duì)特定功耗而言，穩(wěn)態(tài)模擬的結(jié)果，如圖10所示。

圖10 全交錯(cuò)式10個(gè)芯片模塊的穩(wěn)態(tài)溫度再分布圖

5 模型驗(yàn)證

完成模型試驗(yàn)的目的，是在采用高容積基板結(jié)構(gòu)的集成散熱片模塊的兩個(gè)不同設(shè)計(jì)上，構(gòu)建風(fēng)洞。對(duì)12個(gè)芯片模塊而言，在如圖8所示的可用基板區(qū)域，把器件進(jìn)行很好的分隔，預(yù)測(cè)的溫度非常接近測(cè)量的平均溫度，見表2。對(duì)8個(gè)芯片模塊而言，把器件緊密聚集在單個(gè)的一排中，如圖7所示。熱量傳播的程度受限，在已測(cè)量溫度和預(yù)測(cè)的溫度之間存在較大差異。

表2 測(cè)量和預(yù)測(cè)的結(jié)溫比較表

完成10個(gè)芯片模塊的試驗(yàn)，表3給出了在環(huán)境溫度為22℃時(shí)典型穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀況的實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果，以及模塊總功耗為150W狀況下的情況的對(duì)比。3D模擬結(jié)果表明，來自風(fēng)洞的試驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)接近一致。

表3 已測(cè)量和預(yù)測(cè)溫度的比較表

6 結(jié)束語

綜上所述，采用簡(jiǎn)單分析模型可有效地完成有關(guān)氣冷高功率電子封裝的快速設(shè)計(jì)探討。這些模型的穩(wěn)態(tài)結(jié)果有利于與典型模塊的風(fēng)洞試驗(yàn)進(jìn)行比較，然而，這些分析模型不能提供封裝布局對(duì)單獨(dú)器件溫度影響的詳細(xì)說明，為了弄清楚這些因素對(duì)獲得的實(shí)際結(jié)溫的影響，研發(fā)了更復(fù)雜的3D模型。對(duì)穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)兩種狀況而言，初始試驗(yàn)結(jié)果表明試驗(yàn)和模擬之間具有良好的一致性。

同時(shí)也得出了以下結(jié)論，通過增加芯片數(shù)目以及在常規(guī)風(fēng)流方向完全交錯(cuò)排列芯片方式，可降低結(jié)溫；增大芯片尺寸和基板厚度，在瞬態(tài)過載狀況下也是降低結(jié)溫的有效方法。

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