引入壓接技術的IGBT模塊熱仿真模型研究*

韓立業，孟昭亮

（西安工程大學電子信息學院，西安 710048）

引入壓接技術的IGBT模塊熱仿真模型研究*

韓立業，孟昭亮

（西安工程大學電子信息學院，西安 710048）

IGBT在大功率工作條件下開關損耗很大，造成IGBT模塊內部溫度升高，對模塊的工作穩定性造成很大影響。盡管隨著IGBT芯片技術的進步，IGBT模塊最高結溫大大提高了，但是對模塊散熱卻有很高的要求，大大增加了IGBT模塊工作時的成本。在目前IGBT工藝技術沒有大進步的前提下，利用燒結技術和壓接技術等封裝技術對IGBT模塊內部結構進行優化，降低模塊工作時的溫度，增強模塊工作穩定性，增加模塊的使用壽命。通過對1200V-800A IGBT模塊內部結構進行分析，并對IGBT模塊進行建模，在原有IGBT模塊基礎上，引入納米銀燒結技術和壓接技術，得到優化后的IGBT模塊結構模型，在仿真軟件中完成模塊建模和熱仿真。通過對比原有IGBT模塊和優化后IGBT模塊的熱仿真結果，驗證優化后IGBT模塊結構可行性。

燒結技術；壓接技術；IGBT模塊結構；熱阻抗；熱應力；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結合而成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件，具有高輸入阻抗和低導通壓降的優點，在風力發電、機車牽引等領域中IGBT模塊成為最關鍵的器件[1-2]。然而極端的熱循環和熱負荷會影響IGBT模塊的工作穩定性，如內部芯片燒毀、連接鍵斷裂等，造成整個設備無法使用。通過燒結技術以及焊接技術優化IGBT模塊結構，提高模塊運行溫度及功率循環能力，進一步改善芯片的散熱情況，增強模塊的工作穩定性。

熱問題一直都是功率器件最為關注的研究方向，通過在原有IGBT模塊模型的基礎上，引入新的封裝技術——燒結技術和壓接技術，得到優化后的IGBT模塊模型，并使用有限元分析方法對IGBT模塊優化前后的模型進行熱仿真，對比模塊在穩定工作狀態下的溫度分布，驗證優化后的模型的可行性。

2 IGBT模塊結構分析

原有IGBT模塊中使用的是焊接技術，在焊接時，焊劑的原子擴散到被焊接金屬的表面，形成一層很薄的合金層。當焊接面很大時，因為焊接面的溫度變形系數不同，所以在溫度變化時，會產生焊接疲勞，直到脫焊。對原IGBT模塊結構和引入壓接技術模塊結構進行分析，完成對兩種IGBT模塊模型的建立。

2.1 傳統結構

針對1200V-800A IGBT模塊進行分析，該模塊內部結構如圖1所示。

圖1 IGBT模塊內部結構

模塊內部主要包括芯片（IGBT、FWD）、連接鍵、一次焊層、DBC基板、二次焊層、銅基板。即芯片通過一個或多個陶瓷板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包含一個兩側噴涂有銅的Al2O3或AlN薄絕緣基板。由于IGBT模塊在工作時，芯片是最主要的熱源，建模時可以忽略芯片之間的連接鍵所產生的熱，在仿真軟件中所建立的模型如圖2所示。

圖2 IGBT模型

2.2 壓接式結構

傳統IGBT模塊中由于相鄰每層熱膨脹系數不同，在溫度變化時會產生機械應力，嚴重影響了模塊使用壽命。為了減小模塊中的機械應力，提出一種壓接式結構，如圖3所示。

圖3 接壓式結構

壓接式結構取消了模塊銅底板，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械應力。原有陶瓷基本不是完全剛性的，在溫度變化時會產生彎曲，通過模塊外殼，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生的彎曲，并使用新的燒結技術替代原有焊接技術。

3 壓接式結構分析

對壓接式結構中的燒結及壓接技術進行介紹分析，并同傳統IGBT模塊中相對應的技術作對比。

3.1 燒結技術

內部擴散燒結是一種很常用、很可靠的焊接技術[6-9]。它利用精細銀粉，在高壓及大約250℃溫度條件下燒結為低氣孔率的銀層。

兩種技術的特性如表1所示。從表中可以看出，燒結技術使用的銀比焊接時使用的銅熱導率更高，導電率更好，有利于模塊內部的熱傳導。

表1 燒結技術與焊接性能比較

根據表1所示兩種焊接技術的特性，在相同散熱面積的基礎上，利用燒結技術構成的IGBT芯片與DBC基板之間的連接層所等效的熱阻值更小，在IGBT模塊工作時產熱更少，說明了燒結連接具有更好的熱性能。

IGBT模塊工作時需要更高的穩定性，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度，具有更高的功率循環能力，這樣才能保證IGBT模塊長時間穩定可靠的工作。燒結連接同焊接連接的功率循環能力如圖4所示。

圖4 功率循環測試

從圖中可以得出，隨著功率循環次數的增加，利用焊接技術所形成的連接層的熱阻急劇增加，對IGBT模塊工作穩定性造成比較大的影響。而利用燒結技術所形成的連接層隨著功率循環次數的增加，其熱阻并沒有改變，說明其穩定性更好，芯片與DBC基板的接觸強度更高，IGBT模塊工作時穩定性更強。

3.2 壓接技術

IGBT模塊內部是由多層結構組成的，而不同材料的熱膨脹系數（coefficient of thermal expansion）也不相同，因此在溫度循環條件下IGBT內部不同材料的連接層就會產生機械應力，經過多次溫度循環后可能導致模塊內部連接層材料的損傷，進而造成器件損壞，使得整個模塊無法工作。

通過對有底板IGBT模塊中的1/4單元進行熱應力仿真，得到其熱穩態時的等效應力（equivalent stress），仿真結果如圖5所示。

圖5 原模塊熱應力仿真

從圖中可以看出，當模塊經過長時間工作后，不僅DBC基板發生了彎曲，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了不同程度的彎曲。這將大大影響IGBT模塊的工作穩定性及使用壽命。

為了解決因溫度變化及不同材料熱敏效應的不同而產生的機械應力，將壓接技術引入IGBT模塊中。壓接技術是依靠接觸連接即通過壓力的作用將連接雙方連接，通過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，避免了因為溫度變化在不同物質區產生不同的張力影響。在相同條件下對優化后的IGBT模塊進行熱應力仿真，其結果如圖6所示。

圖6 優化后模塊熱應力仿真

由仿真結果可以看出，在引入了壓接技術后，模塊在穩定狀態下DBC等部分并沒有發生明顯彎曲，有效降低了由于焊接而導致的機械應力，增加了模塊的穩定性及使用壽命。

4 熱性能分析

熱性能是功率模塊的主要指標，通過對有底板和無底板功率模塊的熱性能研究，對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。

熱性能分為靜態熱特性和動態熱特性，其中靜態熱特性可以用等效熱路模型表示。連續網絡熱路模型（Continued fraction circuit）反應了帶有內部熱阻的半導體器件的熱容量真是的物理傳導過程，模型如圖7所示。

圖7 連續網絡熱路模型

表2 兩種模塊各層熱阻

功率模塊在導通、截止過程中的散熱質量和開關熱損耗Ptot都可以通過芯片溫度（Tj）和散熱器溫度（Ts）的溫差來表示，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。根據表2可知，優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熱特性，它的動態熱特性同樣很重要，它是通過熱阻抗來描述的。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 有底板和無底板模塊熱阻抗

從圖中有底板和無底板模塊的熱阻抗值得到，在最初時兩者熱阻抗相近，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，但隨著時間的推移，無底板模塊因為其較小的熱阻抗而占有優勢。

5 建模及仿真

利用有限元分析法（finite element analysis,FEA）對IGBT模塊進行熱仿真。IGBT模塊內部的熱傳導為芯片產生的熱經由一次焊層、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模塊相當于兩只IGBT組成的，模塊內的主要熱源為芯片，模塊內部的連接鍵等產熱可以忽略不計，為了節省計算時間，只對IGBT模塊的一半即兩個單元進行建模及仿真。

使用ANSYS軟件對IGBT模塊進行建模、仿真。原有IGBT模塊和優化后的IGBT模塊模型如圖9所示。

圖9 IGBT模塊模型

對建好的IGBT模塊模型進行網格劃分等處理后，在芯片上施加生熱率，并在散熱器上施加對流系數。得到模塊中每個IGBT芯片的功率損耗為82W，二極管功率損耗為6W，仿真結果如圖10所示。

從圖中可以得出在相同的外部條件下，優化的IGBT模塊模型在穩定工作時的溫度更低。驗證了引入燒結技術和壓接技術后改善了IGBT模塊的熱性能，降低了模塊穩態時的工作溫度。

6 結束語

通過對1200V-800A IGBT模塊結構分析建模，在原有IGBT模塊的基礎上引入燒結技術和壓接技術，建立了新模型，完成了對原有IGBT模塊和優化的IGBT模塊的熱性能研究及熱仿真。通過對其熱特性研究并對兩者進行熱仿真，驗證了引入新的封裝技術后有助于模塊散熱，增加模塊的穩定性及使用壽命。

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籌創新工程項目（2013KTCQ01-26）；陜西省教育廳專項科研計劃項目（15JK1306）

韓立業（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