雙界面散熱結(jié)構(gòu)IGBT的熱測(cè)試方法與結(jié)果分析

摘要

與傳統(tǒng)單面散熱 IGBT 模塊不同，雙面散熱汽車 IGBT 模塊同時(shí)向正、反兩面?zhèn)鲗?dǎo)熱量，其熱測(cè)試評(píng)估方式需重新考量。本文進(jìn)行雙面散熱汽車 IGBT 模塊熱測(cè)試工裝開發(fā)與熱界面材料選型，同時(shí)對(duì)比研究模塊壓裝方式，開發(fā)出一種適用于雙面散熱汽車 IGBT 模塊的雙界面散熱結(jié)構(gòu)熱測(cè)試方法，可實(shí)現(xiàn)單面熱阻測(cè)試，對(duì)比單面與雙面熱阻值、實(shí)測(cè)值與仿真值之間的差異，并討論差異產(chǎn)生原因與修正手段。測(cè)試結(jié)果表明，該方法具有良好的可重復(fù)性與可推廣性，可為雙面散熱汽車 IGBT 模塊的熱測(cè)試提供參考。

0 引言

近年來(lái)，全球溫室效應(yīng)的加劇與化石能源的日漸枯竭逐漸成為制約傳統(tǒng)燃料汽車發(fā)展的瓶頸。功率芯片的面積越來(lái)越小、開關(guān)速度越來(lái)越快、工作頻率越來(lái)越高，其單位面積的熱通量持續(xù)增加，功率芯片的熱管理已成為制約功率模塊應(yīng)用的瓶頸問(wèn)題，亟需先進(jìn)的封裝結(jié)構(gòu)和封裝工藝，降低功率模塊的熱阻。相對(duì)于傳統(tǒng)單面散熱（single-sided cooling, SSC）功率模塊，雙面散熱（double-sided cooling, DSC）功率模塊具有更強(qiáng)的散熱能力和更低的寄生參數(shù)。為了進(jìn)一步提高車用電機(jī)控制器的效率、功率密度和可靠性，雙面散熱功率模塊在電動(dòng)汽車中的應(yīng)用得到了越來(lái)越多的關(guān)注。隨著雙面散熱汽車 IGBT 器件在豐田（Denso）、通用（Delphi）、特斯拉（ST）等廠家的成功批量應(yīng)用，市場(chǎng)對(duì)雙面散熱 IGBT 模塊的需求急劇增加。

相對(duì)于傳統(tǒng)單面散熱功率模塊，雙面散熱功率模塊采用先進(jìn)的三維封裝結(jié)構(gòu)。雙面散熱 IGBT功率模塊具有多個(gè)傳熱通道，現(xiàn)有熱阻測(cè)試方法仍然沿用單通道傳熱的熱阻測(cè)試方法。與傳統(tǒng)單面散熱 IGBT 模塊不同，雙面散熱汽車 IGBT 模塊同時(shí)向正、反兩面?zhèn)鲗?dǎo)熱量，其散熱方式與壓接式IGBT 模塊類似，但由于封裝結(jié)構(gòu)不同，其內(nèi)部散熱路徑與熱阻會(huì)有較大差別，評(píng)估方式需重新考量。目前，只有英飛凌等少數(shù)大廠推出了雙面散熱汽車系列化產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)外關(guān)于雙面散熱汽車產(chǎn)品熱測(cè)試的可參考文獻(xiàn)較少。

本文重點(diǎn)研究雙面散熱汽車 IGBT 模塊熱測(cè)試方法。首先提出一種新的雙界面熱測(cè)試思路，然后基于一款雙面散熱汽車 X 模塊的封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開發(fā)熱測(cè)試工裝，并完成熱界面材料的調(diào)研與選型，同時(shí)對(duì)模塊不同壓裝方式進(jìn)行對(duì)比研究，開發(fā)出一種適用于雙面散熱汽車 IGBT 模塊的單面熱阻抗測(cè)試方法，并成功實(shí)現(xiàn) X 模塊的雙面與單面熱阻測(cè)試，最后對(duì)比單面與雙面熱阻值、實(shí)測(cè)值與仿真值之間的差異，并討論差異的產(chǎn)生原因與修正手段。

1 熱測(cè)試方案

1.1 傳統(tǒng)方法與主要問(wèn)題

IGBT 的結(jié)溫測(cè)試方法主要有熱敏參數(shù)法、有限元仿真法、傳感標(biāo)定法、紅外掃描法等，傳統(tǒng)的IGBT 模塊結(jié)-殼熱阻測(cè)試采用 JESD 51—14 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的雙界面法，分別測(cè)量有導(dǎo)熱脂、無(wú)導(dǎo)熱脂兩個(gè)界面下的溫度曲線，轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線，求出兩條曲線的重合部分，就可以得出 IGBT 產(chǎn)品的結(jié)-殼瞬態(tài)熱阻抗曲線。

雙面散熱 IGBT 模塊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定其對(duì)接觸熱阻要求非常高，而 X 模塊特殊工藝過(guò)程引入的拱度問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致散熱面與散熱器的直接壓接效果不良，散熱面之間存在空隙，造成 X 模塊與散熱器直接壓裝效果如圖 1 所示。雙界面法測(cè)試的前提是保證兩個(gè)界面條件下芯片結(jié)-殼散熱路徑一致，直接壓裝會(huì)使其與硅脂界面的路徑不一致，結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線前段不重合，導(dǎo)致無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)試熱阻。故傳統(tǒng)雙界面法不適用于雙面散熱汽車 IGBT 模塊熱測(cè)試，需開發(fā)新的界面材料代替直接壓接，以確保兩個(gè)界面散熱路徑的一致性。

1.2 雙界面散熱結(jié)構(gòu)測(cè)試法

為解決上述問(wèn)題，本文創(chuàng)新性地提出雙界面散熱結(jié)構(gòu)的熱測(cè)試方法，對(duì)傳統(tǒng)雙界面法進(jìn)行優(yōu)化，分別采用兩種不同的導(dǎo)熱界面材料 A 與 B 對(duì)結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線進(jìn)行分離。雙界面材料雙面耦合熱阻測(cè)試方法如圖 2 所示，步驟如下。

1）模塊的主、次散熱面用導(dǎo)熱界面材料 A 覆蓋，壓裝在散熱器上，散熱器持續(xù)通水，啟動(dòng)熱阻測(cè)試，得到結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線 1-1。

2）模塊的主、次散熱面用導(dǎo)熱界面材料 B 覆蓋，壓裝在散熱器上，散熱器持續(xù)通水，啟動(dòng)熱阻測(cè)試，得到結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線 1-2。

兩條結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線的重合部分即為模塊的雙面結(jié)-殼熱阻。

雙面散熱汽車 IGBT 產(chǎn)品金屬表面結(jié)構(gòu)僅傳導(dǎo)熱量而不傳導(dǎo)電能，其散熱路徑可理解為兩個(gè)功率與熱阻參數(shù)不同的器件，背靠背地同時(shí)向兩個(gè)面?zhèn)鲗?dǎo)熱量。從文獻(xiàn)[17]中的壓接 IGBT 模塊串聯(lián)熱阻測(cè)試方法得到啟示，只要設(shè)法實(shí)現(xiàn)雙面散熱汽車產(chǎn)品單面散熱，理論上可分別測(cè)量 IGBT 模塊主、次兩個(gè)散熱面的結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線。消除雙面導(dǎo)熱耦合效應(yīng)的辦法是實(shí)現(xiàn)熱量單面?zhèn)鲗?dǎo)，雙界面材料單面熱阻測(cè)試方法如圖 3 所示，具體步驟如下。

1）模塊的主散熱面用絕熱材料覆蓋，次散熱面通過(guò)界面材料 A 壓裝在散熱器上，散熱器持續(xù)通水散熱，測(cè)得次散熱面結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線 2-1。

2）模塊的主散熱面用絕熱材料覆蓋，次散熱面通過(guò)界面材料 B 壓裝在散熱器上，散熱器持續(xù)通水散熱，測(cè)得次散熱面結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線 2-2。

3）模塊的次散熱面用絕熱材料覆蓋，主散熱面通過(guò)界面材料 A 壓裝在散熱器上，散熱器持續(xù)通水散熱，測(cè)得主散熱面結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線 3-1。

4）模塊的次散熱面用絕熱材料覆蓋，主散熱面通過(guò)界面材料 B 壓裝在散熱器上，散熱器持續(xù)通水散熱，測(cè)得主散熱面結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線 3-2。

對(duì)于單面的兩次測(cè)量，因其結(jié)-殼導(dǎo)熱路徑完全一致，僅殼-散熱器熱阻有差別，故兩條結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線在模塊散熱面處分離，重合部分即對(duì)應(yīng)的結(jié)-殼熱阻，通過(guò)以上方法即可獲取對(duì)應(yīng)的單面結(jié)-殼熱阻。

1.3 測(cè)試工裝設(shè)計(jì)

從 X 模塊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與發(fā)熱特性出發(fā)，經(jīng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、仿真分析與優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)高換熱效率散熱器設(shè)計(jì)：在器件最大發(fā)熱功率情況下，上、下散熱面溫差在 1℃以內(nèi)，且進(jìn)、出水溫差在 2℃以內(nèi)。X 模塊熱測(cè)試工裝整體設(shè)計(jì)如圖 4 所示。

2 材料選型

2.1 導(dǎo)熱界面材料

按照雙界面材料熱測(cè)試方案，需選定合適的導(dǎo)熱與絕熱材料作為界面，以實(shí)現(xiàn) IGBT 模塊的雙面與單面熱阻抗測(cè)試。經(jīng)技術(shù)調(diào)研，綜合考慮各種材料的物理、化學(xué)特性，決定選用散熱石墨膜、導(dǎo)熱硅脂這兩種材料作為 X 模塊的熱阻測(cè)試導(dǎo)熱界面材料，其特性參數(shù)見表 1。

采用散熱石墨膜作為第二界面的壓裝效果如圖5 所示，與圖 1 相比，壓力均勻性得到顯著改善。

2.2 絕熱界面材料

經(jīng)技術(shù)調(diào)研，篩選出柔性氣凝膠、聚氨酯 PU膠作為 X 模塊熱測(cè)試的備選絕熱界面材料，其特性參數(shù)見表 2。

為驗(yàn)證兩者的實(shí)際絕熱性能，用兩種材料分別對(duì)次散熱面進(jìn)行隔熱，導(dǎo)熱材料均采用石墨膜，進(jìn)行主散熱面的熱阻對(duì)比測(cè)試，結(jié)果如圖 6 和圖 7 所示。圖 6 中曲線 1～4、圖 7 中曲線 1～4 依次為聚氨酯 PU 膠絕熱下的 IGBT 熱阻與結(jié)溫?cái)?shù)據(jù)、氣凝膠絕熱下的 IGBT 熱阻與結(jié)溫?cái)?shù)據(jù)、聚氨酯 PU 膠絕熱下的快速恢復(fù)二極管（fast recovery diode, FRD）熱阻與結(jié)溫?cái)?shù)據(jù)、氣凝膠絕熱下的 FRD 熱阻與結(jié)溫?cái)?shù)據(jù)。

雙面散熱器件散熱路徑為并聯(lián)，耦合熱阻計(jì)算公式為

式中：R1為主散熱面熱阻；R2 為次散熱面熱阻。當(dāng)次散熱面為絕對(duì)絕熱即 R2→∞時(shí)，總熱阻 Rtot≈R1，在 R1 保持不變的前提下，材料絕熱性能越差，熱阻R2 越小，總熱阻 Rtot 越小。

對(duì)比結(jié)果顯示，聚氨酯 PU 膠絕熱下測(cè)得的結(jié)環(huán)熱阻值與最高結(jié)溫值均低于氣凝膠，表明相同壓裝力矩下，氣凝膠的絕熱能力優(yōu)于聚氨酯 PU 膠，故選擇氣凝膠作為熱測(cè)試的絕熱材料。

3 熱測(cè)試與結(jié)果分析

X 模塊雙界面散熱結(jié)構(gòu)熱測(cè)試的硬件安裝方式如圖 8 所示。

3.1 方案設(shè)計(jì)

為研究壓裝力矩對(duì) X 模塊結(jié)-殼熱阻的影響程度，設(shè)計(jì)壓裝力對(duì)比測(cè)試條件見表 3。

3.2 雙面熱阻測(cè)試

不同壓裝力矩下 X 模塊 IGBT 雙面熱阻如圖 9所示，圖中從曲線 1 和曲線 2 為 0.5N·m 壓裝力矩下的熱阻數(shù)據(jù)，曲線 3 和曲線 4 為 1.2N·m 壓裝力矩下的熱阻數(shù)據(jù)。

X 模塊雙面熱阻測(cè)試結(jié)果見表 4。隨著壓裝力矩增大，X 模塊 IGBT 和 FRD 的器件結(jié)環(huán)熱阻減小，而結(jié)-殼熱阻測(cè)試無(wú)明顯變化，表明對(duì)于雙面散熱IGBT 模塊，不同的壓裝力矩僅影響器件與散熱器的接觸熱阻，對(duì)其結(jié)-殼熱阻的測(cè)試無(wú)影響。

基于以上結(jié)論，后續(xù)測(cè)試壓裝力矩均設(shè)置為條件一。

3.3 熱仿真

X 模塊的熱仿真模型如圖 10 所示。

按表 3 條件一設(shè)置邊界條件與隔熱材料，設(shè)置單個(gè)芯片的損耗功率為 100W，得到主散熱面仿真結(jié)果如圖 11～圖 13 所示。

按同樣方法對(duì) FRD 進(jìn)行仿真，X 模塊熱仿真結(jié)果見表 5。

3.4 單面熱阻測(cè)試

按雙界面材料法分別進(jìn)行 X 模塊的主、次散熱面的單面熱阻測(cè)試，結(jié)果如圖 14 和圖 15 所示。

X 模塊單面熱阻測(cè)試結(jié)果見表 6。

測(cè)試結(jié)果顯示該方法測(cè)得的上、下管單面熱阻一致性較好。

3.5 差異分析與誤差修正

X 模塊熱阻實(shí)測(cè)與仿真結(jié)果對(duì)比見表 7。IGBT與 FRD 的雙面熱阻實(shí)測(cè)值與仿真值偏差均在±5%以內(nèi)，主散熱面熱阻的實(shí)測(cè)值與仿真值偏差均在±10%以內(nèi)，次散熱面熱阻的實(shí)測(cè)值與仿真值偏差較大，約為 70%。

根據(jù)式（1）計(jì)算的雙面耦合值與實(shí)測(cè)值對(duì)比見表 8。表中 IGBT 的單面實(shí)測(cè)耦合值與雙面實(shí)測(cè)值偏差為?6%左右，F(xiàn)RD 的單面實(shí)測(cè)耦合值與雙面實(shí)測(cè)值偏差為?10%左右，兩者偏差較大。

由于不存在絕對(duì)隔熱材料，雙面散熱模塊的熱耦合效應(yīng)無(wú)法完全消除。對(duì)于次散熱面絕熱工況，由于主散熱面熱阻較小，絕大部分熱量流經(jīng)無(wú)絕熱材料的主散熱面，形成理想的單面散熱，測(cè)試值偏差較?。粚?duì)于主散熱面絕熱工況，由于次散熱面本身熱阻較大，會(huì)有部分熱量流經(jīng)有絕熱材料的主散熱面，耦合效應(yīng)較大，導(dǎo)致測(cè)試值與仿真值的偏差較大。 針對(duì)次散熱面熱測(cè)試中的熱耦合效應(yīng)，修正方法是采用基于主散熱面與雙面的實(shí)測(cè)熱阻反推次散熱面熱阻的方式消除耦合效應(yīng)，修正后的結(jié)果見表9，誤差縮小到 25%以內(nèi)。

3.6 重復(fù)性驗(yàn)證

為驗(yàn)證雙面散熱汽車 IGBT 模塊熱測(cè)試方法的可重復(fù)性，對(duì) X 模塊進(jìn)行重復(fù)壓裝與熱阻測(cè)試，結(jié)果見表 10。結(jié)果顯示，五次測(cè)試結(jié)果偏差在±2%以內(nèi)，表明該熱測(cè)試方法具有良好的可重復(fù)性與可推廣性。

4 結(jié)論

本文基于熱測(cè)試工裝設(shè)計(jì)、界面材料選型與壓裝方式對(duì)比研究，提出了一種適用于雙面散熱汽車IGBT 模塊的雙散熱界面材料熱測(cè)試方法，可實(shí)現(xiàn)雙面與單面結(jié)-殼熱阻測(cè)試；對(duì)于雙面散熱汽車 IGBT模塊，在一定范圍內(nèi)的不同壓裝力矩對(duì)其結(jié)-殼熱阻的測(cè)試無(wú)影響；雙面熱阻測(cè)試方法得到的 IGBT 與FRD 的雙面熱阻實(shí)測(cè)值與仿真值偏差在±5%以內(nèi)，單面熱阻實(shí)測(cè)值與仿真值偏差在±10%以內(nèi)，該方法可準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)雙面散熱汽車 IGBT 的熱阻測(cè)試，結(jié)果具有參考價(jià)值；雙面散熱模塊的熱耦合效應(yīng)無(wú)法完全消除，導(dǎo)致單面熱阻實(shí)測(cè)值與仿真值偏小，可采用根據(jù)主散熱面與雙面實(shí)測(cè)熱阻反推次散熱面熱阻的方式降低耦合效應(yīng)并修正測(cè)試結(jié)果；該熱測(cè)試方法具有良好的可重復(fù)性與可推廣性。 ? ? ?

作者：羅哲雄 1,2 周望君 1,2 陸金輝 1,2 董國(guó)忠 1,2 （1. 株洲中車時(shí)代半導(dǎo)體有限公司；2. 新型功率半導(dǎo)體器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

編輯：黃飛

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