車規(guī)級(jí)IGBT功率模塊散熱基板技術(shù)

IGBT功率模塊失效的主要原因是溫度過高導(dǎo)致的熱應(yīng)力，良好的熱管理對(duì)于IGBT功率模塊穩(wěn)定性和可靠性極為重要。新能源汽車電機(jī)控制器是典型的高功率密度部件，且功率密度隨著對(duì)新能源汽車性能需求的提高仍在不斷提升。電機(jī)控制器內(nèi)IGBT功率模塊長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行以及頻繁開閉會(huì)產(chǎn)生大量熱量，伴隨著溫度的升高，IGBT功率模塊的失效概率也將大幅增加，最終將影響電機(jī)的輸出性能以及汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的可靠性。因此，為維持IGBT功率模塊的穩(wěn)定工作，需要有可靠的散熱設(shè)計(jì)與通暢的散熱通道，快速有效地減少模塊內(nèi)部熱量，以滿足模塊可靠性指標(biāo)的要求。

一、IGBT模塊散熱基板的作用及種類

散熱基板是IGBT功率模塊的核心散熱功能結(jié)構(gòu)與通道，也是模塊中價(jià)值占比較高的重要部件，車規(guī)級(jí)功率半導(dǎo)體模塊散熱基板必須具備良好的熱傳導(dǎo)性能、與芯片和覆銅陶瓷基板等部件相匹配的熱膨脹系數(shù)、足夠的硬度和耐用性等特點(diǎn)。

1. 銅針式散熱基板

銅針式散熱基板具備針翅結(jié)構(gòu)，大幅提高了散熱表面積，可使功率模塊形成針翅狀直接冷卻結(jié)構(gòu)，有效提高了模塊散熱性能，促成功率半導(dǎo)體模塊小型化。由于新能源汽車電機(jī)控制器用功率半導(dǎo)體模塊對(duì)散熱效率和小型化有較高要求，因此在新能源汽車領(lǐng)域得到了廣泛運(yùn)用。

銅針式散熱基板

銅針式散熱基板工藝流程如上圖所示，生產(chǎn)的主要步驟包括：模具設(shè)計(jì)開發(fā)和生產(chǎn)制造、冷精鍛、整形沖針、CNC機(jī)加工、清洗、退火、噴砂、彎曲弧度、電鍍、阻焊/刻追溯碼、檢驗(yàn)測(cè)試等。

銅針式散熱基板工藝流程

2. 銅平底散熱基板

銅平底散熱基板是傳統(tǒng)領(lǐng)域功率半導(dǎo)體模塊的通用散熱結(jié)構(gòu)，主要作用是將模塊熱量向外傳遞，并為模塊提供機(jī)械支撐。該產(chǎn)品傳統(tǒng)應(yīng)用于工業(yè)控制等領(lǐng)域，目前亦應(yīng)用在新能源發(fā)電、儲(chǔ)能等新興領(lǐng)域

銅平底散熱基板

銅平底散熱基板工藝流程如上圖所示，生產(chǎn)的主要步驟包括：剪板、沖孔下料、CNC 機(jī)加工、沖凸臺(tái)/壓平凸臺(tái)、噴砂、電鍍、彎曲弧度、阻焊、檢驗(yàn)測(cè)試等。

銅平底散熱基板工藝流程

二、車規(guī)級(jí)IGBT功率模塊散熱方式

目前，車規(guī)級(jí)IGBT功率模塊一般采用液冷散熱，而液冷散熱又分為間接液冷散熱和直接液冷散熱。

1. 間接液冷散熱

間接液冷散熱采用的是平底散熱基板，基板下面涂一層導(dǎo)熱硅脂，緊貼在液冷板上，液冷板內(nèi)通冷卻液，散熱路徑為芯片-DBC基板-平底散熱基板-導(dǎo)熱硅脂-液冷板-冷卻液。即芯片為發(fā)熱源，熱量主要通過DBC基板、平底散熱基板、導(dǎo)熱硅脂傳導(dǎo)至液冷板，液冷板再通過液冷對(duì)流的方式將熱量排出。

間接液冷散熱中IGBT功率模塊不直接與冷卻液接觸，散熱效率不高，也因此限制了功率模塊的功率密度提升。

2.直接液冷散熱

直接液冷散熱采用的是針式散熱基板，位于功率模塊底部的散熱基板增加了針翅狀散熱結(jié)構(gòu)，可直接加上密封圈通過冷卻液散熱，散熱路徑為芯片-DBC基板-針式散熱基板-冷卻液，無(wú)需使用導(dǎo)熱硅脂。該種方式使得IGBT功率模塊與冷卻液直接接觸，模塊整體熱阻值可降低30%左右，且針翅結(jié)構(gòu)大大提高了散熱表面積，散熱效率因此大幅提高，IGBT功率模塊功率密度也可以設(shè)計(jì)的更高。

目前直接液冷散熱已成為車規(guī)級(jí)IGBT功率模塊的主流散熱方式，包括英飛凌在內(nèi)主要廠商的車規(guī)級(jí)功率模塊產(chǎn)品均主要采用針式散熱基板。