韓立業(yè)，孟昭亮

（西安工程大學(xué)電子信息學(xué)院，西安 710048）

引入壓接技術(shù)的IGBT模塊熱仿真模型研究*

韓立業(yè)，孟昭亮

（西安工程大學(xué)電子信息學(xué)院，西安 710048）

IGBT在大功率工作條件下開關(guān)損耗很大，造成IGBT模塊內(nèi)部溫度升高，對(duì)模塊的工作穩(wěn)定性造成很大影響。盡管隨著IGBT芯片技術(shù)的進(jìn)步，IGBT模塊最高結(jié)溫大大提高了，但是對(duì)模塊散熱卻有很高的要求，大大增加了IGBT模塊工作時(shí)的成本。在目前IGBT工藝技術(shù)沒有大進(jìn)步的前提下，利用燒結(jié)技術(shù)和壓接技術(shù)等封裝技術(shù)對(duì)IGBT模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，降低模塊工作時(shí)的溫度，增強(qiáng)模塊工作穩(wěn)定性，增加模塊的使用壽命。通過(guò)對(duì)1200V-800A IGBT模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，并對(duì)IGBT模塊進(jìn)行建模，在原有IGBT模塊基礎(chǔ)上，引入納米銀燒結(jié)技術(shù)和壓接技術(shù)，得到優(yōu)化后的IGBT模塊結(jié)構(gòu)模型，在仿真軟件中完成模塊建模和熱仿真。通過(guò)對(duì)比原有IGBT模塊和優(yōu)化后IGBT模塊的熱仿真結(jié)果，驗(yàn)證優(yōu)化后IGBT模塊結(jié)構(gòu)可行性。

燒結(jié)技術(shù)；壓接技術(shù)；IGBT模塊結(jié)構(gòu)；熱阻抗；熱應(yīng)力；熱仿真

1 引言

IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor），即絕緣柵雙極性晶體管，是由MOS和BJT結(jié)合而成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件，具有高輸入阻抗和低導(dǎo)通壓降的優(yōu)點(diǎn)，在風(fēng)力發(fā)電、機(jī)車牽引等領(lǐng)域中IGBT模塊成為最關(guān)鍵的器件[1-2]。然而極端的熱循環(huán)和熱負(fù)荷會(huì)影響IGBT模塊的工作穩(wěn)定性，如內(nèi)部芯片燒毀、連接鍵斷裂等，造成整個(gè)設(shè)備無(wú)法使用。通過(guò)燒結(jié)技術(shù)以及焊接技術(shù)優(yōu)化IGBT模塊結(jié)構(gòu)，提高模塊運(yùn)行溫度及功率循環(huán)能力，進(jìn)一步改善芯片的散熱情況，增強(qiáng)模塊的工作穩(wěn)定性。

熱問(wèn)題一直都是功率器件最為關(guān)注的研究方向，通過(guò)在原有IGBT模塊模型的基礎(chǔ)上，引入新的封裝技術(shù)——燒結(jié)技術(shù)和壓接技術(shù)，得到優(yōu)化后的IGBT模塊模型，并使用有限元分析方法對(duì)IGBT模塊優(yōu)化前后的模型進(jìn)行熱仿真，對(duì)比模塊在穩(wěn)定工作狀態(tài)下的溫度分布，驗(yàn)證優(yōu)化后的模型的可行性。

2 IGBT模塊結(jié)構(gòu)分析

原有IGBT模塊中使用的是焊接技術(shù)，在焊接時(shí)，焊劑的原子擴(kuò)散到被焊接金屬的表面，形成一層很薄的合金層。當(dāng)焊接面很大時(shí)，因?yàn)楹附用娴臏囟茸冃蜗禂?shù)不同，所以在溫度變化時(shí)，會(huì)產(chǎn)生焊接疲勞，直到脫焊。對(duì)原IGBT模塊結(jié)構(gòu)和引入壓接技術(shù)模塊結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，完成對(duì)兩種IGBT模塊模型的建立。

2.1 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)

針對(duì)1200V-800A IGBT模塊進(jìn)行分析，該模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 IGBT模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)

模塊內(nèi)部主要包括芯片（IGBT、FWD）、連接鍵、一次焊層、DBC基板、二次焊層、銅基板。即芯片通過(guò)一個(gè)或多個(gè)陶瓷板DCB（直接銅綁定Direct Copper Bond）焊接到銅底板上，銅底板也是散熱器的安裝表面[3-5]。

DCB包含一個(gè)兩側(cè)噴涂有銅的Al2O3或AlN薄絕緣基板。由于IGBT模塊在工作時(shí)，芯片是最主要的熱源，建模時(shí)可以忽略芯片之間的連接鍵所產(chǎn)生的熱，在仿真軟件中所建立的模型如圖2所示。

圖2 IGBT模型

2.2 壓接式結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)IGBT模塊中由于相鄰每層熱膨脹系數(shù)不同，在溫度變化時(shí)會(huì)產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力，嚴(yán)重影響了模塊使用壽命。為了減小模塊中的機(jī)械應(yīng)力，提出一種壓接式結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 接壓式結(jié)構(gòu)

壓接式結(jié)構(gòu)取消了模塊銅底板，避免了DBC基板與銅底板之間的大面積焊接，消除了底板與陶瓷基板之間的機(jī)械應(yīng)力。原有陶瓷基本不是完全剛性的，在溫度變化時(shí)會(huì)產(chǎn)生彎曲，通過(guò)模塊外殼，用不大的壓力將陶瓷基板同散熱器表層連接，有效消除了由于溫度變化產(chǎn)生的彎曲，并使用新的燒結(jié)技術(shù)替代原有焊接技術(shù)。

3 壓接式結(jié)構(gòu)分析

對(duì)壓接式結(jié)構(gòu)中的燒結(jié)及壓接技術(shù)進(jìn)行介紹分析，并同傳統(tǒng)IGBT模塊中相對(duì)應(yīng)的技術(shù)作對(duì)比。

3.1 燒結(jié)技術(shù)

內(nèi)部擴(kuò)散燒結(jié)是一種很常用、很可靠的焊接技術(shù)[6-9]。它利用精細(xì)銀粉，在高壓及大約250℃溫度條件下燒結(jié)為低氣孔率的銀層。

兩種技術(shù)的特性如表1所示。從表中可以看出，燒結(jié)技術(shù)使用的銀比焊接時(shí)使用的銅熱導(dǎo)率更高，導(dǎo)電率更好，有利于模塊內(nèi)部的熱傳導(dǎo)。

表1 燒結(jié)技術(shù)與焊接性能比較

根據(jù)表1所示兩種焊接技術(shù)的特性，在相同散熱面積的基礎(chǔ)上，利用燒結(jié)技術(shù)構(gòu)成的IGBT芯片與DBC基板之間的連接層所等效的熱阻值更小，在IGBT模塊工作時(shí)產(chǎn)熱更少，說(shuō)明了燒結(jié)連接具有更好的熱性能。

IGBT模塊工作時(shí)需要更高的穩(wěn)定性，這就要求IGBT芯片與DBC基板之間的連接層需要更高的接觸強(qiáng)度，具有更高的功率循環(huán)能力，這樣才能保證IGBT模塊長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定可靠的工作。燒結(jié)連接同焊接連接的功率循環(huán)能力如圖4所示。

圖4 功率循環(huán)測(cè)試

從圖中可以得出，隨著功率循環(huán)次數(shù)的增加，利用焊接技術(shù)所形成的連接層的熱阻急劇增加，對(duì)IGBT模塊工作穩(wěn)定性造成比較大的影響。而利用燒結(jié)技術(shù)所形成的連接層隨著功率循環(huán)次數(shù)的增加，其熱阻并沒有改變，說(shuō)明其穩(wěn)定性更好，芯片與DBC基板的接觸強(qiáng)度更高，IGBT模塊工作時(shí)穩(wěn)定性更強(qiáng)。

3.2 壓接技術(shù)

IGBT模塊內(nèi)部是由多層結(jié)構(gòu)組成的，而不同材料的熱膨脹系數(shù)（coefficient of thermal expansion）也不相同，因此在溫度循環(huán)條件下IGBT內(nèi)部不同材料的連接層就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力，經(jīng)過(guò)多次溫度循環(huán)后可能導(dǎo)致模塊內(nèi)部連接層材料的損傷，進(jìn)而造成器件損壞，使得整個(gè)模塊無(wú)法工作。

通過(guò)對(duì)有底板IGBT模塊中的1/4單元進(jìn)行熱應(yīng)力仿真，得到其熱穩(wěn)態(tài)時(shí)的等效應(yīng)力（equivalent stress），仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 原模塊熱應(yīng)力仿真

從圖中可以看出，當(dāng)模塊經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間工作后，不僅DBC基板發(fā)生了彎曲，在絕緣襯底任何地方，不僅在角落，也可在中心和沿周邊許多地方，包括芯片和散熱片之間地方也出現(xiàn)了不同程度的彎曲。這將大大影響IGBT模塊的工作穩(wěn)定性及使用壽命。

為了解決因溫度變化及不同材料熱敏效應(yīng)的不同而產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力，將壓接技術(shù)引入IGBT模塊中。壓接技術(shù)是依靠接觸連接即通過(guò)壓力的作用將連接雙方連接，通過(guò)壓力連接件和接線端口將DBC與散熱器連接在一起，這樣就沒有了大面積的焊接，避免了因?yàn)闇囟茸兓诓煌镔|(zhì)區(qū)產(chǎn)生不同的張力影響。在相同條件下對(duì)優(yōu)化后的IGBT模塊進(jìn)行熱應(yīng)力仿真，其結(jié)果如圖6所示。

圖6 優(yōu)化后模塊熱應(yīng)力仿真

由仿真結(jié)果可以看出，在引入了壓接技術(shù)后，模塊在穩(wěn)定狀態(tài)下DBC等部分并沒有發(fā)生明顯彎曲，有效降低了由于焊接而導(dǎo)致的機(jī)械應(yīng)力，增加了模塊的穩(wěn)定性及使用壽命。

4 熱性能分析

熱性能是功率模塊的主要指標(biāo)，通過(guò)對(duì)有底板和無(wú)底板功率模塊的熱性能研究，對(duì)比兩種布局在相同外部條件下的熱性能，分析兩種模塊的散熱性能。

熱性能分為靜態(tài)熱特性和動(dòng)態(tài)熱特性，其中靜態(tài)熱特性可以用等效熱路模型表示。連續(xù)網(wǎng)絡(luò)熱路模型（Continued fraction circuit）反應(yīng)了帶有內(nèi)部熱阻的半導(dǎo)體器件的熱容量真是的物理傳導(dǎo)過(guò)程，模型如圖7所示。

圖7 連續(xù)網(wǎng)絡(luò)熱路模型

表2 兩種模塊各層熱阻

功率模塊在導(dǎo)通、截止過(guò)程中的散熱質(zhì)量和開關(guān)熱損耗Ptot都可以通過(guò)芯片溫度（Tj）和散熱器溫度（Ts）的溫差來(lái)表示，熱阻Rth(j-s)的定義為：

在功率模塊熱損耗Ptot一定的前提下，熱阻Rth(j-s)越小，模塊的整體溫差就越小，散熱性能越好。根據(jù)表2可知，優(yōu)化后的模塊熱阻值較小，表明其散熱性能更好。

除了功率模塊的靜態(tài)熱特性，它的動(dòng)態(tài)熱特性同樣很重要，它是通過(guò)熱阻抗來(lái)描述的。帶有底板模塊和沒有底板模塊的熱阻抗值Zth如圖8所示。

圖8 有底板和無(wú)底板模塊熱阻抗

從圖中有底板和無(wú)底板模塊的熱阻抗值得到，在最初時(shí)兩者熱阻抗相近，在0.2秒到2秒之間，有底板模塊由于銅底板熱容量原因，其熱阻抗較小，但隨著時(shí)間的推移，無(wú)底板模塊因?yàn)槠漭^小的熱阻抗而占有優(yōu)勢(shì)。

5 建模及仿真

利用有限元分析法（finite element analysis,FEA）對(duì)IGBT模塊進(jìn)行熱仿真。IGBT模塊內(nèi)部的熱傳導(dǎo)為芯片產(chǎn)生的熱經(jīng)由一次焊層、DBC基板、二次焊層以及銅底板后傳至散熱器，由散熱器散熱。研究所采用的1200V-800A IGBT模塊相當(dāng)于兩只IGBT組成的，模塊內(nèi)的主要熱源為芯片，模塊內(nèi)部的連接鍵等產(chǎn)熱可以忽略不計(jì)，為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間，只對(duì)IGBT模塊的一半即兩個(gè)單元進(jìn)行建模及仿真。

使用ANSYS軟件對(duì)IGBT模塊進(jìn)行建模、仿真。原有IGBT模塊和優(yōu)化后的IGBT模塊模型如圖9所示。

圖9 IGBT模塊模型

對(duì)建好的IGBT模塊模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分等處理后，在芯片上施加生熱率，并在散熱器上施加對(duì)流系數(shù)。得到模塊中每個(gè)IGBT芯片的功率損耗為82W，二極管功率損耗為6W，仿真結(jié)果如圖10所示。

從圖中可以得出在相同的外部條件下，優(yōu)化的IGBT模塊模型在穩(wěn)定工作時(shí)的溫度更低。驗(yàn)證了引入燒結(jié)技術(shù)和壓接技術(shù)后改善了IGBT模塊的熱性能，降低了模塊穩(wěn)態(tài)時(shí)的工作溫度。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)1200V-800A IGBT模塊結(jié)構(gòu)分析建模，在原有IGBT模塊的基礎(chǔ)上引入燒結(jié)技術(shù)和壓接技術(shù)，建立了新模型，完成了對(duì)原有IGBT模塊和優(yōu)化的IGBT模塊的熱性能研究及熱仿真。通過(guò)對(duì)其熱特性研究并對(duì)兩者進(jìn)行熱仿真，驗(yàn)證了引入新的封裝技術(shù)后有助于模塊散熱，增加模塊的穩(wěn)定性及使用壽命。

圖10 IGBT模塊熱仿真

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Research on Thermal Simulation Model of IGBT Module with Compression Technology

Han Liye，Meng Zhaoliang
（Dept.of Electronics&Information,Xi'an Polytechnic University,Xi’an 710048,China）

Under the high power operating conditions,the switching loss of IGBT is very large, which causes the internal temperature of IGBT module to rise.The rise of temperature has a great impact on the module when it works.With the progress of IGBT chip technology,the maximum junction temperature of the IGBT module is greatly improved.But it has a very high demand for cooling module,which will greatly increase the costs.In the condition of the current IGBT process technology，the technologies of sintering and pressing are used to optimize the internal structure of the IGBT module.In this paper,the IGBT module is modeled through the analysis of the internal structure of the IGBT 1200V-800A module.On the basis of the original IGBT module,the IGBT module structure model is proposed,by means of the introduction of silver sintering technology and the pressing technology.After comparing with the thermal simulation results,the structure of the optimized IGBT module is verified.

Sintering technology；Pressing technology；IGBT module structure；Thermal impedance；Thermal stress；Thermal simulation

10.3969/j.issn.1002-2279.2017.01.001

TN386.2

B

1002-2279-（2017）01-0001-05

本研究得到陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程項(xiàng)目（2013KTCQ01-26）；陜西省教育廳專項(xiàng)科研計(jì)劃項(xiàng)目（15JK1306）

韓立業(yè)（1990-），男，河南省許昌市人，碩士研究生，主研方向：嵌入式及電力電子功率集成。

2016-05-18