引入压接技术的IGBT模块热仿真模型研究*

韩立业，孟昭亮

（西安工程大学电子信息学院，西安 710048）

引入压接技术的IGBT模块热仿真模型研究*

韩立业，孟昭亮

（西安工程大学电子信息学院，西安 710048）

IGBT在大功率工作条件下开关损耗很大，造成IGBT模块内部温度升高，对模块的工作稳定性造成很大影响。尽管随着IGBT芯片技术的进步，IGBT模块最高结温大大提高了，但是对模块散热却有很高的要求，大大增加了IGBT模块工作时的成本。在目前IGBT工艺技术没有大进步的前提下，利用烧结技术和压接技术等封装技术对IGBT模块内部结构进行优化，降低模块工作时的温度，增强模块工作稳定性，增加模块的使用寿命。通过对1200V-800A IGBT模块内部结构进行分析，并对IGBT模块进行建模，在原有IGBT模块基础上，引入纳米银烧结技术和压接技术，得到优化后的IGBT模块结构模型，在仿真软件中完成模块建模和热仿真。通过对比原有IGBT模块和优化后IGBT模块的热仿真结果，验证优化后IGBT模块结构可行性。

烧结技术；压接技术；IGBT模块结构；热阻抗；热应力；热仿真

1 引言

IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor），即绝缘栅双极性晶体管，是由MOS和BJT结合而成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，具有高输入阻抗和低导通压降的优点，在风力发电、机车牵引等领域中IGBT模块成为最关键的器件[1-2]。然而极端的热循环和热负荷会影响IGBT模块的工作稳定性，如内部芯片烧毁、连接键断裂等，造成整个设备无法使用。通过烧结技术以及焊接技术优化IGBT模块结构，提高模块运行温度及功率循环能力，进一步改善芯片的散热情况，增强模块的工作稳定性。

热问题一直都是功率器件最为关注的研究方向，通过在原有IGBT模块模型的基础上，引入新的封装技术——烧结技术和压接技术，得到优化后的IGBT模块模型，并使用有限元分析方法对IGBT模块优化前后的模型进行热仿真，对比模块在稳定工作状态下的温度分布，验证优化后的模型的可行性。

2 IGBT模块结构分析

原有IGBT模块中使用的是焊接技术，在焊接时，焊剂的原子扩散到被焊接金属的表面，形成一层很薄的合金层。当焊接面很大时，因为焊接面的温度变形系数不同，所以在温度变化时，会产生焊接疲劳，直到脱焊。对原IGBT模块结构和引入压接技术模块结构进行分析，完成对两种IGBT模块模型的建立。

2.1 传统结构

针对1200V-800A IGBT模块进行分析，该模块内部结构如图1所示。

图1 IGBT模块内部结构

模块内部主要包括芯片（IGBT、FWD）、连接键、一次焊层、DBC基板、二次焊层、铜基板。即芯片通过一个或多个陶瓷板DCB（直接铜绑定Direct Copper Bond）焊接到铜底板上，铜底板也是散热器的安装表面[3-5]。

DCB包含一个两侧喷涂有铜的Al2O3或AlN薄绝缘基板。由于IGBT模块在工作时，芯片是最主要的热源，建模时可以忽略芯片之间的连接键所产生的热，在仿真软件中所建立的模型如图2所示。

图2 IGBT模型

2.2 压接式结构

传统IGBT模块中由于相邻每层热膨胀系数不同，在温度变化时会产生机械应力，严重影响了模块使用寿命。为了减小模块中的机械应力，提出一种压接式结构，如图3所示。

图3 接压式结构

压接式结构取消了模块铜底板，避免了DBC基板与铜底板之间的大面积焊接，消除了底板与陶瓷基板之间的机械应力。原有陶瓷基本不是完全刚性的，在温度变化时会产生弯曲，通过模块外壳，用不大的压力将陶瓷基板同散热器表层连接，有效消除了由于温度变化产生的弯曲，并使用新的烧结技术替代原有焊接技术。

3 压接式结构分析

对压接式结构中的烧结及压接技术进行介绍分析，并同传统IGBT模块中相对应的技术作对比。

3.1 烧结技术

内部扩散烧结是一种很常用、很可靠的焊接技术[6-9]。它利用精细银粉，在高压及大约250℃温度条件下烧结为低气孔率的银层。

两种技术的特性如表1所示。从表中可以看出，烧结技术使用的银比焊接时使用的铜热导率更高，导电率更好，有利于模块内部的热传导。

表1 烧结技术与焊接性能比较

根据表1所示两种焊接技术的特性，在相同散热面积的基础上，利用烧结技术构成的IGBT芯片与DBC基板之间的连接层所等效的热阻值更小，在IGBT模块工作时产热更少，说明了烧结连接具有更好的热性能。

IGBT模块工作时需要更高的稳定性，这就要求IGBT芯片与DBC基板之间的连接层需要更高的接触强度，具有更高的功率循环能力，这样才能保证IGBT模块长时间稳定可靠的工作。烧结连接同焊接连接的功率循环能力如图4所示。

图4 功率循环测试

从图中可以得出，随着功率循环次数的增加，利用焊接技术所形成的连接层的热阻急剧增加，对IGBT模块工作稳定性造成比较大的影响。而利用烧结技术所形成的连接层随着功率循环次数的增加，其热阻并没有改变，说明其稳定性更好，芯片与DBC基板的接触强度更高，IGBT模块工作时稳定性更强。

3.2 压接技术

IGBT模块内部是由多层结构组成的，而不同材料的热膨胀系数（coefficient of thermal expansion）也不相同，因此在温度循环条件下IGBT内部不同材料的连接层就会产生机械应力，经过多次温度循环后可能导致模块内部连接层材料的损伤，进而造成器件损坏，使得整个模块无法工作。

通过对有底板IGBT模块中的1/4单元进行热应力仿真，得到其热稳态时的等效应力（equivalent stress），仿真结果如图5所示。

图5 原模块热应力仿真

从图中可以看出，当模块经过长时间工作后，不仅DBC基板发生了弯曲，在绝缘衬底任何地方，不仅在角落，也可在中心和沿周边许多地方，包括芯片和散热片之间地方也出现了不同程度的弯曲。这将大大影响IGBT模块的工作稳定性及使用寿命。

为了解决因温度变化及不同材料热敏效应的不同而产生的机械应力，将压接技术引入IGBT模块中。压接技术是依靠接触连接即通过压力的作用将连接双方连接，通过压力连接件和接线端口将DBC与散热器连接在一起，这样就没有了大面积的焊接，避免了因为温度变化在不同物质区产生不同的张力影响。在相同条件下对优化后的IGBT模块进行热应力仿真，其结果如图6所示。

图6 优化后模块热应力仿真

由仿真结果可以看出，在引入了压接技术后，模块在稳定状态下DBC等部分并没有发生明显弯曲，有效降低了由于焊接而导致的机械应力，增加了模块的稳定性及使用寿命。

4 热性能分析

热性能是功率模块的主要指标，通过对有底板和无底板功率模块的热性能研究，对比两种布局在相同外部条件下的热性能，分析两种模块的散热性能。

热性能分为静态热特性和动态热特性，其中静态热特性可以用等效热路模型表示。连续网络热路模型（Continued fraction circuit）反应了带有内部热阻的半导体器件的热容量真是的物理传导过程，模型如图7所示。

图7 连续网络热路模型

表2 两种模块各层热阻

功率模块在导通、截止过程中的散热质量和开关热损耗Ptot都可以通过芯片温度（Tj）和散热器温度（Ts）的温差来表示，热阻Rth(j-s)的定义为：

在功率模块热损耗Ptot一定的前提下，热阻Rth(j-s)越小，模块的整体温差就越小，散热性能越好。根据表2可知，优化后的模块热阻值较小，表明其散热性能更好。

除了功率模块的静态热特性，它的动态热特性同样很重要，它是通过热阻抗来描述的。带有底板模块和没有底板模块的热阻抗值Zth如图8所示。

图8 有底板和无底板模块热阻抗

从图中有底板和无底板模块的热阻抗值得到，在最初时两者热阻抗相近，在0.2秒到2秒之间，有底板模块由于铜底板热容量原因，其热阻抗较小，但随着时间的推移，无底板模块因为其较小的热阻抗而占有优势。

5 建模及仿真

利用有限元分析法（finite element analysis,FEA）对IGBT模块进行热仿真。IGBT模块内部的热传导为芯片产生的热经由一次焊层、DBC基板、二次焊层以及铜底板后传至散热器，由散热器散热。研究所采用的1200V-800A IGBT模块相当于两只IGBT组成的，模块内的主要热源为芯片，模块内部的连接键等产热可以忽略不计，为了节省计算时间，只对IGBT模块的一半即两个单元进行建模及仿真。

使用ANSYS软件对IGBT模块进行建模、仿真。原有IGBT模块和优化后的IGBT模块模型如图9所示。

图9 IGBT模块模型

对建好的IGBT模块模型进行网格划分等处理后，在芯片上施加生热率，并在散热器上施加对流系数。得到模块中每个IGBT芯片的功率损耗为82W，二极管功率损耗为6W，仿真结果如图10所示。

从图中可以得出在相同的外部条件下，优化的IGBT模块模型在稳定工作时的温度更低。验证了引入烧结技术和压接技术后改善了IGBT模块的热性能，降低了模块稳态时的工作温度。

6 结束语

通过对1200V-800A IGBT模块结构分析建模，在原有IGBT模块的基础上引入烧结技术和压接技术，建立了新模型，完成了对原有IGBT模块和优化的IGBT模块的热性能研究及热仿真。通过对其热特性研究并对两者进行热仿真，验证了引入新的封装技术后有助于模块散热，增加模块的稳定性及使用寿命。

图10 IGBT模块热仿真

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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

本研究得到陕西省科技统筹创新工程项目（2013KTCQ01-26）；陕西省教育厅专项科研计划项目（15JK1306）

韩立业（1990-），男，河南省许昌市人，硕士研究生，主研方向：嵌入式及电力电子功率集成。

2016-05-18