如何通過改進(jìn)IGBT模塊布局來克服芯片縮小帶來的熱性能挑戰(zhàn)

作者簡介

作者：Jan Baurichter

翻譯：趙佳

尺寸和功率往往看起來像是硬幣的兩面。當(dāng)你縮小尺寸時(shí)--這是我們行業(yè)中不斷強(qiáng)調(diào)的目標(biāo)之一--你不可避免地會降低功率。但情況一定是這樣嗎？如果將我們的思維從芯片轉(zhuǎn)移到模塊設(shè)計(jì)上，就不需要拋硬幣了。

在IGBT模塊中，芯片面積減小導(dǎo)致了熱阻抗的增加，進(jìn)而影響性能。但是，由于較小的芯片在基板上釋放了更多的空間，因此有可能利用這些新的可用空間來優(yōu)化模塊的布局。在這篇文章中，我們將探討如何調(diào)整模塊設(shè)計(jì)來改善熱性能。下篇將探討如何改善電氣性能。

作為參考，我們將使用采用TRENCHSTOP IGBT 7技術(shù)的新型1200V、600A EconoDUAL 3模塊，該模塊針對通用驅(qū)動（GPD）、商業(yè)、建筑和農(nóng)業(yè)車輛（CAV）、不間斷電源（UPS）和太陽能等應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。

更小的芯片帶來的散熱挑戰(zhàn)

與以前的IGBT 4技術(shù)相比，1200V TRENCHSTOP IGBT 7中功率芯片的技術(shù)特點(diǎn)是芯片縮小了約30%。一般來說，越小越好，但對一個(gè)相同電流等級的模塊，更小的芯片意味著從相同的芯片面積中流過更多的電流。這導(dǎo)致了從芯片結(jié)到散熱器的熱阻抗增加。為了補(bǔ)償，你可以使用高導(dǎo)電性的基板材料，改善基片與散熱器的接觸，或使用高導(dǎo)電性的熱界面材料。然而，這種材料會導(dǎo)致更高的成本，所以它們往往不是設(shè)計(jì)者的首選。

每個(gè)人都喜歡免費(fèi)的東西，不是嗎？因此，讓我們把注意力轉(zhuǎn)移到基板上的“免費(fèi)”空間?？s小30%的芯片使基板上有更多的可用空間。現(xiàn)在，我們?nèi)绾卫眠@些新釋放出來的空間來改善熱阻抗？

在EconoDUAL 3這樣的中等功率模塊中，多個(gè)芯片并聯(lián)使用，以實(shí)現(xiàn)高模塊電流。由于并聯(lián)，多芯片間存在熱耦合。來自兩個(gè)芯片的熱鋒在模塊的某一點(diǎn)上重疊，這導(dǎo)致兩個(gè)芯片的有效耦合面積減少（圖1）。

圖1：簡化的模塊橫截面顯示了兩個(gè)芯片的熱量擴(kuò)散和熱量重疊與芯片距離的關(guān)系。熱量從芯片1流經(jīng)直接鍵合的銅基板（DBC）、底板、TIM，并進(jìn)入散熱器。

優(yōu)化IGBT模塊布局，提高熱性能

帶有銅底板的模塊對芯片之間的距離依賴性較小，因?yàn)殂~底板為散熱器提供了一個(gè)厚實(shí)、高傳導(dǎo)性的熱路徑。然而，與其他優(yōu)化模塊布局的步驟相結(jié)合，芯片的位置可以產(chǎn)生重大影響。

圖2：在不同的芯片放置和DBC設(shè)計(jì)下，EconoDUAL 3封裝的散熱層中的模擬溫度分布

在圖2中，你可以看到芯片放置在兩個(gè)具有相同熱堆的EconoDUAL 3模塊布局上的差異。除了優(yōu)化芯片的位置外，直接鍵合銅基板（DBC）的布局也會產(chǎn)生影響。通過在模塊布局V2中使用三個(gè)較小的DBC--而不是V1中的兩個(gè)較大的DBC，底板可以被優(yōu)化，具有較低的彎曲度，從而改善與散熱器的熱接觸。

為了了解芯片縮小、模塊布局和DBC如何結(jié)合起來影響整體熱阻抗（Rth,jh），我們測量了它們對各種IGBT 4和IGBT 7模塊布局的影響。在圖3的第二列（IGBT7，模塊布局V1，DBC #1），你可以看到，通過簡單地縮小芯片尺寸而不對布局做任何改變，IGBT的Rth,jh增加了大約20%。

圖3：與前一代IGBT 4模塊相比，通過模塊布局、腔體優(yōu)化和DBC厚度對Rth,jh的改進(jìn)

我們在第三欄中更進(jìn)一步（IGBT7，模塊布局V2，DBC #1），顯示了將模塊的內(nèi)部布局從2個(gè)DBC改為3個(gè)DBC的影響，如圖2所示。這表明，通過模塊布局，30%的芯片面積減小，僅使IGBT結(jié)-散熱器Rth,jh增加了10%（IGBT7，模塊布局V2，DBC #1）

為了適應(yīng)需要更高的隔離電壓的應(yīng)用，可以增加DBC陶瓷的厚度。圖3的最后一欄（IGBT7，模塊布局V2，DBC #2）代表了具有更厚陶瓷基板的新設(shè)計(jì)：已經(jīng)上市的1200V TRENCHSTOP IGBT 7。