IGBT熱網(wǎng)絡(luò)傳熱模型研究

陳 明，曾書俐

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IGBT熱網(wǎng)絡(luò)傳熱模型研究

陳 明1，曾書俐2

（1. 海軍駐廣州四二七廠軍事代表室，廣州 510715；2. 中船黃埔文沖船舶有限公司，廣州 510715）

在加入層間接觸熱阻的7層Cauer熱網(wǎng)絡(luò)模型基礎(chǔ)上，考慮了材料導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化的函數(shù)關(guān)系，在芯片結(jié)構(gòu)和實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果基礎(chǔ)上加入了結(jié)表熱阻以及各物理層間的擴(kuò)散熱阻，建立了一種改進(jìn)的多維IGBT熱網(wǎng)絡(luò)傳熱模型。采用所建模型對(duì)模塊各物理層溫度特性，特別是結(jié)溫特性進(jìn)行了仿真計(jì)算，并和實(shí)際探測(cè)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)分析。分析結(jié)果表明改進(jìn)的熱網(wǎng)絡(luò)模型較傳統(tǒng)熱網(wǎng)絡(luò)傳熱模型具有更高的精度。

絕緣柵雙極型晶體管 熱網(wǎng)絡(luò) 傳熱模型

0 引言

絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）是一種綜合了功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管和雙極型功率晶體管結(jié)構(gòu)的復(fù)合型功率半導(dǎo)體器件[1]，是目前應(yīng)用最為廣泛的全控型電力電子器件[2,3]。IGBT的工作特性受溫度的影響很大[4-6]。首先，由于半導(dǎo)體材料的物理、熱學(xué)以及力學(xué)特性隨溫度發(fā)生改變，IGBT的開關(guān)速度、通態(tài)壓降、漏電流等性能參數(shù)都將隨溫度發(fā)生變化，同時(shí)芯片還受最高工作結(jié)溫的限制；其次，IGBT模塊內(nèi)的鍵合引線、焊料層等封裝材料長(zhǎng)期受到溫度波動(dòng)與熱應(yīng)力的反復(fù)沖擊將產(chǎn)生疲勞老化[7,8]，從而對(duì)IGBT的壽命產(chǎn)生影響。因此開展傳熱特性與傳熱模型仿真研究，查明IGBT的各層溫度與熱傳遞過(guò)程，建立精確的傳熱模型和準(zhǔn)確預(yù)測(cè)溫度對(duì)于確保IGBT安全運(yùn)行、延長(zhǎng)工作壽命、提高散熱和封裝設(shè)計(jì)以及可靠性都具有重要意義。

為達(dá)到降維簡(jiǎn)化處理的目的，傳熱問(wèn)題一般采用熱電比擬法，該法是根據(jù)傳熱學(xué)集總參數(shù)法[9-11]（LPM）和電路理論來(lái)形成等效熱路，熱網(wǎng)絡(luò)圖中的熱源為IGBT芯片所產(chǎn)生的損耗熱量，損耗熱量通過(guò)模塊各個(gè)物理層由熱源向散熱器傳遞，形成一個(gè)復(fù)雜的傳熱網(wǎng)絡(luò)。其中模塊芯片和封裝各個(gè)物理層分別用集中熱源和等效熱阻來(lái)代替。等效熱網(wǎng)絡(luò)法是個(gè)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停子谕ㄟ^(guò)試驗(yàn)提取參數(shù)，優(yōu)點(diǎn)在于能夠快速計(jì)算模塊損耗，便于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)仿真，適用于對(duì)模塊封裝各物理層的平均溫度進(jìn)行估算[12,13]。

首先對(duì)IGBT傳熱特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。通過(guò)加入層間的接觸熱阻、考慮材料導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化的函數(shù)關(guān)系，以及在芯片結(jié)構(gòu)和實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果基礎(chǔ)上加入結(jié)表熱阻，從而建立了改進(jìn)的IGBT熱網(wǎng)絡(luò)傳熱模型。然后考慮DBC上銅層以下各層擴(kuò)散熱阻建立了多維等效熱網(wǎng)絡(luò)模型。最后采用所建模型對(duì)模塊各物理層溫度特性特別是結(jié)溫特性進(jìn)行了仿真計(jì)算，并和實(shí)際探測(cè)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)分析。

1 IGBT芯片結(jié)構(gòu)

IGBT芯片分為兩層：硅片層和鍍層。鍍層鍍?cè)诠栊酒媳砻?，由金屬層和邊緣保護(hù)層兩部分組成。中心區(qū)域的金屬層鍍鋁有兩個(gè)作用：一是為了保護(hù)芯片的完整；另外是為了鍵合處兩端的材料盡可能一致，減小鍵合處的熱膨脹率。邊緣區(qū)域即鍍層四周的黑邊框?yàn)檫吘壉Ｗo(hù)層，鍍Si3N4，對(duì)芯片起絕緣保護(hù)、阻斷高壓的作用。

2 IGBT傳熱特性實(shí)驗(yàn)測(cè)試研究

2.1 IGBT動(dòng)態(tài)熱阻抗提取

在一定范圍之內(nèi)，IGBT的某些電學(xué)特性與芯片溫度間存在一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，如導(dǎo)通小電流條件下IGBT的導(dǎo)通壓降V和柵-射極壓降V和溫度間近似呈線性的關(guān)系，電參數(shù)法就是基于這一原理來(lái)測(cè)量IGBT芯片的平均結(jié)溫。得到IGBT結(jié)溫后再聯(lián)合其它方法測(cè)得殼溫、導(dǎo)通電流、通態(tài)壓降參數(shù)，可計(jì)算得到反映IGBT阻止熱量傳遞能力的熱阻參數(shù)，其單位為℃/W。其中結(jié)-殼熱阻[14]定義為：

式中T為結(jié)溫，T為殼溫，為耗散功率。由于V測(cè)量簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確度高，因此采用V作為熱敏參數(shù)。采用熱敏電參數(shù)法測(cè)量溫度首先要進(jìn)行定標(biāo)，在恒溫烘箱里將測(cè)試模塊從40 ℃加熱到150 ℃，間隔10 ℃記錄一次，共得到12個(gè)溫度點(diǎn)下的V值，標(biāo)定得到模塊溫度校正曲線如圖1所示。

通過(guò)最小二乘法擬合得到結(jié)溫與V之間的校正公式：

圖1 結(jié)溫定標(biāo)曲線

完成溫度標(biāo)定后，可進(jìn)行IGBT結(jié)溫測(cè)量，提取得到反映其傳熱特性的動(dòng)態(tài)熱阻抗曲線。測(cè)試時(shí)將待測(cè)模塊固定在散熱器上，連續(xù)開通恒定的大電流源，在導(dǎo)通電流的同時(shí)采用電壓表和熱傳感器測(cè)量V和底板殼溫。待溫度穩(wěn)定后，由加熱大電流源導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)換到小電流源導(dǎo)通，由已得到的定標(biāo)曲線和實(shí)際測(cè)量得到的V值可計(jì)算出該時(shí)刻結(jié)溫，再代入公式(1)計(jì)算得到該時(shí)刻的瞬時(shí)熱阻抗值。設(shè)定加熱電流為50 A，采樣小電流為0.1 A，每2 s取樣一次。加熱過(guò)程中提取到的動(dòng)態(tài)熱阻抗曲線如圖2所示。

圖2 動(dòng)態(tài)熱阻抗曲線

由圖2中數(shù)據(jù)可得該型IGBT的結(jié)殼穩(wěn)態(tài)熱阻為0.23 ℃/W。表1給出了穩(wěn)態(tài)時(shí)對(duì)應(yīng)的結(jié)溫、結(jié)殼溫差和上升時(shí)間。改變加熱電流，得到的多組數(shù)據(jù)如表2所示。

表1 50 A穩(wěn)態(tài)時(shí)對(duì)應(yīng)的結(jié)溫、結(jié)殼溫差和上升時(shí)間

表2 不同加熱電流模塊熱特性參數(shù)

從表2中的數(shù)據(jù)可以看出，結(jié)殼穩(wěn)態(tài)熱阻隨加熱電流的增大而略有增大。

2.2 溫度分布的紅外熱成像法探測(cè)

一般的商業(yè)IGBT模塊都是已封裝好的、有外殼封裝的成品，同時(shí)內(nèi)部芯片表面還覆蓋有一層硅膠。為了能夠使用紅外熱探測(cè)法對(duì)芯片表面實(shí)時(shí)溫度分布進(jìn)行探測(cè)，實(shí)驗(yàn)采用了在某生產(chǎn)廠家定做的打開封裝且去除硅膠型號(hào)為GD50HEL120C1S的1200 V/50 A模塊，并搭建了測(cè)試平臺(tái)。

在測(cè)試平臺(tái)中，模塊殼溫采用高敏度測(cè)溫?zé)犭娕紲y(cè)量，芯片表面溫度分布采用高速紅外熱成像儀直接測(cè)量。該高速中波紅外熱像儀為Xenics公司產(chǎn)品，具有高速連拍功能，可以在1 s內(nèi)連續(xù)拍200幅，可以用來(lái)對(duì)IGBT的實(shí)時(shí)工作結(jié)溫進(jìn)行探測(cè)。

采用已知發(fā)射率的絕緣膠帶法來(lái)校正探測(cè)結(jié)果。首先在被測(cè)金屬表面涂一層絕緣漆或是粘貼黑色絕緣膠布，先測(cè)量漆或膠布表面溫度，由于黑色漆和膠布發(fā)射率都接近0.95，同時(shí)都很薄且導(dǎo)熱性好，與被測(cè)金屬的溫差很小，可認(rèn)為等于金屬表面溫度。將測(cè)量得到的漆或膠布表面溫度與直接測(cè)到的金屬表面溫度代入計(jì)算公式[8]，計(jì)算出被測(cè)金屬的發(fā)射率，輸入熱像儀成像軟件后，就可以直接進(jìn)行溫度測(cè)量。當(dāng)加熱電流為50 A時(shí)探測(cè)結(jié)果如圖3所示。

圖3 粘貼膠布后芯片表面溫度分布

圖3 中顏色越亮表示溫度越高。在芯片表面取A、B、C三點(diǎn)，分別代表中心位置、邊緣位置、最邊緣位置，對(duì)應(yīng)的溫度如表3所示。

表3 芯片表面A、B、C三點(diǎn)溫度

由圖3和表3中數(shù)據(jù)可以看出，芯片表面中心溫度要高于邊緣溫度3~4 ℃，從中心區(qū)域到邊緣區(qū)域芯片溫度逐漸降低，由中心逐漸向邊緣擴(kuò)散過(guò)程比較均勻。這主要是由于芯片中心是鍵合引線連接處，電流密度最大從而導(dǎo)致熱流密度最大。

校正芯片表面材料發(fā)射率后，設(shè)定加熱電流為50 A時(shí)，采用已建立的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，測(cè)試得到芯片表面不同時(shí)刻的溫度分布云圖。IGBT芯片表面溫度上升很快且幅度較大，在20 s左右芯片表面最高溫度從接近室溫上升到約51 ℃。溫度分布云圖不同時(shí)刻芯片邊緣芯片中心點(diǎn)溫度如表4所示。改變加熱電流，測(cè)試得到的結(jié)果如表5所示。

表4 不同時(shí)刻芯片表面中心和邊緣溫度

表5 不同加熱電流下模塊熱特性參數(shù)

從表2、5可知，紅外熱成像實(shí)時(shí)探測(cè)法獲得的結(jié)果要略小于電參數(shù)法測(cè)得的結(jié)果。這主要是由于紅外方法測(cè)試中采用的IGBT芯片表面鍍層未覆蓋硅膠，IGBT工作時(shí)會(huì)向外部空間通過(guò)輻射和對(duì)流散失一定熱量，同時(shí)電參數(shù)法得到的是芯片內(nèi)部PN結(jié)的平均結(jié)溫，因此這種工作方式與實(shí)際電路中有硅膠覆蓋的IGBT工作時(shí)存在一定差別，但這種差別不會(huì)影響芯片表面結(jié)溫分布與上升過(guò)程。

3 改進(jìn)的熱網(wǎng)絡(luò)傳熱模型

3.1 加入接觸熱阻

為將建立的熱網(wǎng)絡(luò)與實(shí)際IGBT模塊各層結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)，采用了Cauer電路結(jié)構(gòu)來(lái)建立傳熱模型。結(jié)合IGBT模塊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與傳熱特性，根據(jù)熱電比擬理論[15]建立IGBT模塊的熱網(wǎng)絡(luò)等效傳熱模型，首先作如下假設(shè)和等效：

1）IGBT芯片產(chǎn)生的熱量主要是垂直向下傳遞，因此建立的傳熱模型為7階熱網(wǎng)絡(luò)，與從芯片到基板間的7層物理結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)[14]。

2）加入引起一維垂直方向上各層界面溫度降落即增加了熱量傳導(dǎo)過(guò)程中附加傳遞阻力的接觸熱阻[9-11]。在手冊(cè)上查到單位面積接觸熱阻值，乘以層間面積，再加上基板與熱電偶之間導(dǎo)熱硅脂的熱阻，計(jì)算得到模塊總的接觸熱阻約為0.01 ℃/W。

針對(duì)型號(hào)為GD50HFL120C1S的IGBT模塊進(jìn)行建模，模塊各物理層對(duì)應(yīng)的材料熱物性以及幾何尺寸參數(shù)分別如表6和表7所示。根據(jù)所列參數(shù)，由式(3)、(4)可計(jì)算得到如表8所示的該模塊在溫度為300 K時(shí)的Cauer結(jié)構(gòu)熱網(wǎng)絡(luò)傳熱模型。

表6 IGBT模塊材各物理層材料物性參數(shù)

3.2 考慮變導(dǎo)熱系數(shù)

相關(guān)專著[9-11]列出了許多器件所用材料在不同的溫度時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)。相對(duì)硅而言，其它各層材料導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的變化很小，如芯片下焊料層在300 K時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)為66 W/(mK)，在400 K時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)為62 W/(mK)，因此可以近似為定導(dǎo)熱系數(shù)。

表7 IGBT模塊的各層幾何尺寸

表8 各分層等效Cauer熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)熱阻、熱容

表9 硅、純銅材料在不同的溫度下導(dǎo)熱系數(shù)

表10 不同溫度時(shí)對(duì)應(yīng)的結(jié)殼材料熱阻

因此，式(3)可修正為：

將不同溫度時(shí)各層材料的導(dǎo)熱系數(shù)代入計(jì)算公式，可得GD50HFL120C1S在不同溫度時(shí)對(duì)應(yīng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)殼熱阻如表10所示。

3.3 加入結(jié)表熱阻

由實(shí)際探測(cè)結(jié)果，芯片鍍層實(shí)際溫度T小于芯片內(nèi)部硅層結(jié)溫T。由芯片硅層結(jié)溫和芯片表面金屬層溫度差對(duì)應(yīng)的結(jié)表熱阻R。即

式中是芯片表面金屬層向外輻射的熱流量，T為紅外測(cè)得的芯片表面中心溫度，為物體的發(fā)射率，為輻射表面積，代入相應(yīng)數(shù)據(jù)，可得:

3.4 考慮擴(kuò)散熱阻

芯片焊料層以下各層長(zhǎng)度、寬度減去有效傳熱面積對(duì)應(yīng)長(zhǎng)度、寬度后所得的材料熱阻即為該層的擴(kuò)散熱阻，于是依據(jù)式(3)、(4)計(jì)算得到每層擴(kuò)散熱阻后的等效熱網(wǎng)絡(luò)模型如圖4所示。需要指出的是，圖4中各層的擴(kuò)散熱阻R、R和擴(kuò)散熱容C、C均是對(duì)稱的，圖中只給出一邊。圖4中對(duì)應(yīng)的物理層擴(kuò)散熱阻值R、R如表11所示。

圖4 加入擴(kuò)散熱阻熱網(wǎng)絡(luò)傳熱模型

由表11可知，DBC上銅層以下各層的擴(kuò)散熱阻并不小，這也是導(dǎo)致各層溫度存在一個(gè)分布的原因。在一些工程應(yīng)用場(chǎng)合，擴(kuò)散熱阻小的分層溫度可用平均溫度近似。

表11 物理層接觸熱阻

4 仿真研究及模型精度分析

采用建立的RC熱網(wǎng)絡(luò)在Saber仿真環(huán)境里搭建了如圖4所示的IGBT模塊傳熱模型。在加熱電流為30 A、50 A、80 A，殼溫設(shè)定為穩(wěn)定時(shí)刻溫度30 ℃、31 ℃、40 ℃，仿真得到的結(jié)溫上升曲線如圖5所示，其中50 A時(shí)各層溫度上升曲線如圖6所示。

計(jì)算得到IGBT傳熱特性數(shù)據(jù)如表12所示。從表12中數(shù)據(jù)可以看出，仿真結(jié)果穩(wěn)態(tài)結(jié)溫以及熱阻參數(shù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好，而溫度上升時(shí)間偏小，這主要是由于仿真忽略了散熱器的溫度上升過(guò)程，將最后的穩(wěn)定溫度設(shè)定為恒定殼溫，因此上升時(shí)間比實(shí)際過(guò)程要短一些。隨著加熱電流的增大，結(jié)殼溫差呈加速上升的變化趨勢(shì)。

當(dāng)加熱電流為50 A時(shí)，計(jì)算得到DBC上銅層以下各層溫度分布，其中陶瓷層和下焊料層如圖7所示，溫度分布特性數(shù)據(jù)如表13所示。

圖5 IGBT結(jié)溫仿真上升曲線

圖6 加熱電流50A時(shí)各層溫度上升曲線

(a) 陶瓷層溫度分布

(b) 下焊料層溫度分布

圖7 物理層中心、邊緣溫度上升曲線

從表13中數(shù)據(jù)可以看出，由于陶瓷層擴(kuò)散熱阻很大，導(dǎo)致該層溫度分布不均勻度很大，約為10 ℃，其余各層相對(duì)較小。

表12 不同加熱電流模塊傳熱特性參數(shù)

表13 不同加熱電流模塊溫度分布特性

5 結(jié)論

1）在加入層間接觸熱阻的7層Cauer熱網(wǎng)絡(luò)模型基礎(chǔ)上，考慮了材料導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化的函數(shù)關(guān)系，加入結(jié)表熱阻，以及各物理層間的擴(kuò)散熱阻，建立了一種改進(jìn)的多維IGBT熱網(wǎng)絡(luò)傳熱模型，比傳統(tǒng)傳熱模型只考慮定導(dǎo)熱系數(shù)材料熱阻具有更高的精度。

2）總接觸熱阻為層間接觸熱阻加上基板與熱電偶之間導(dǎo)熱硅脂的熱阻，約為0.01 ℃/W。結(jié)表熱阻是通過(guò)區(qū)分芯片內(nèi)部結(jié)溫和表面溫度得到，約為0.007 ℃/W。擴(kuò)散熱阻為上銅層以下各層長(zhǎng)度、寬度減去有效傳熱面積對(duì)應(yīng)長(zhǎng)度、寬度后所得的材料熱阻，由擴(kuò)散熱阻可得溫度分布。

3）就所建改進(jìn)的一維和多維等效熱網(wǎng)絡(luò)傳熱模型進(jìn)行了仿真分析，并與實(shí)際直接探測(cè)和間接測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了比對(duì)分析。分析結(jié)果表明改進(jìn)的熱網(wǎng)絡(luò)傳熱模型所得到的熱阻更接近實(shí)驗(yàn)結(jié)果，且可實(shí)現(xiàn)對(duì)各種工作方式下各物理層平均溫度波動(dòng)的精確預(yù)測(cè)。

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Thermal Network Model for IGBT Power Modules

Chen Ming1, Zeng Shuli2

(1. Naval Representatives Office in Guangzhou No. 427 Company, Guangzhou 510715, China; 2. CSSC Huangpu Wenchong Ship Building Co.,Ltd., Guangzhou 510715, China)

TN341

A

1003-4862（2018）09-0001-06

2018-4-19

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（50737004）

陳明（1982-），男，工程師。研究方向：船舶電力系統(tǒng)及控制研究。Email: 13715034@qq.com