高功率航空电子系统IGBT封装设计初探

李 红，杨建生，李守平

1 引言

在诸如功率转换及功率驱动领域，航空器越来越多地采用电子系统替代传统的机械、液压与气动系统。例如，由欧洲某公司研制的全球最大的民航客机A380要求电源总容量为900kVA。电子电力系统提供的新应用，对重量节省增加了功能性和潜在性，大量的驱动器采用诸如具有可靠性和适用性的电子系统。电力电子系统包含半导体器件诸如绝缘栅双极型晶体管（IGBTs）等，这些器件转变高电流，因此具有高功耗。在这些系统的设计中，热管理是关键问题。

传统高电力电子应用诸如电力传输、工业驱动及机车牵引控制系统，是基于工业标准半导体封装结构的，把这些封装构型用螺钉固定到特定应用选择的散热器上。这些用螺钉固定的界面产生了重要的、且对传热难以控制的阻力，结果造成装置体积大重量重。有集成散热器的特定应用封装，具有为更多高要求的应用提供在尺寸和重量方面大幅度缩减的潜力。

本文中考虑的设计情形研讨，是在电力转换器中应用的半导体封装技术，器件在高频率状况下进行转换，确保良好的输入、输出电流波形。半导体中耗费功率，因此散热器重量随着转换器频率增加，相反在更高的频率状况下，相关滤波元件将会变得更小更轻。因此，整个系统重量的最佳化涉及到散热器技术和滤波技术各项要求之间的权衡，而不是仅仅取决于特定功率耗费最佳化的散热器设计。

1.1 功率半导体封装结构

尽管在更多高要求的应用中采用铸造和装配的散热器数量在增加，但高功率器件诸如IGBTs是采用如图1所示结构的传统封装，把芯片焊接到绝缘导热（直接敷铜）基板（DBC），依次焊接到封装基底。从半导体器件穿过各种电传导、电介质及连接层，接着通过有螺钉的界面进入典型的挤制铝散热器传热。热量通过散热片传导，传递到了较大的界面区域，主要通过对流热量最终从这些区域传递到冷介质。

图1 传统功率半导体封装及散热片

在集成的散热器设计中，仍通过各种层传热，这与传统封装中的传热一样（存在消除部分层的机会），但可把散热片直接粘附到如图2所示的封装底板上。此类结构，为重量节省提供了潜力，但增加散热片技术将依赖于采用的封装环境和特定电路设计中器件功率损耗，而不是依赖于器件的额定电流值，因此，此封装适合特定应用。在讨论的封装设计中，选择的基底板材料为碳化硅/铝金属基质化合物（MMC），研发的化合物具有低密度、低热膨胀系数和高热导性。表1给出了在半导体封装中采用的典型材料的关键热特性。

尽管HIVOL C的低密度也可与一定期限的大容积热能的铜相比较，为瞬态热特性的重要因素。分析的封装设计需要把散热片压焊进入高容积基底板的窄孔中，作为要求完全与基底板集成的高纵横比冷却片的制造，这是要付出巨大代价。冷却片方法中的键合，允许针对不同的应用选择不同的冷却片长度。

表1 部分典型半导体封装材料的热机械特性

图2 集成散热片功率半导体封装

2 散热片热传递建模

在电力设备诸如计算机工作台的强制风冷系统设计中，在外壳范围之内气流是不受约束的，必须采用复杂的3D流体模型来评定外壳范围之内气流分配，及其如何与单个半导体器件散热器相互作用。然而，考虑到此类高功率系统，将通过管道把冷却气流输送到散热器，因此，当考虑散热器片设计时，仅需给出两种状况，即必须选择冷却片尺寸来获得足够的冷却，同时，必须保持通过冷却片的压力降到某一水平，以便通过冷却气供给系统，可提供系统需要的气流。由于气流为简单的输气管流，试验关系式可充分模拟这些参数，极大地简化设计过程。

冷却片表面温度Tfin，依赖于周围的温度Tambient，当从冷却片吸收热时，空气的温度上升，ΔTair冷却片的温度上升高于在冷却管道中的空气温度上升ΔTfin-air。图3所示的板散热片几何图形得到简单试验关系式，用于估计在任何高度或环境温度下散热片及空气温度上升。

图3 表示典型板翅式散热片图形

温度升高要求从散热片传递给定的热量，这依赖于通过散热片空气的移动速度，并且空气速度依次依赖于散热片几何图形尺寸及气团的气流率。散热片几何图形温度升高如图3所示，与下列公式中的这些变量有关：

式中，C是与压力和周围冷却空气温度有关的系数；ΔTfin-air通过散热片高于空气流的散热片表面的温度升高（℃）；Q为传递的总功率（瓦特）；W为通道的宽度；Z为散热片的高度；L为沿着气流方向散热片的长度；n为通风管道的数量；f为总气流（CFM）。由关系式做出主要的简化假设为：①气流是不稳定的；②通风管道与其基底上的高度相比，是狭窄的；③散热片传导完美。尽管这些关系近似特性，但等式在估计设计冷却能力方面是有用的，并且对研究在散热片尺寸改变时性能的影响也有用。

散热片几何图形不能仅仅以传热为基础进行选择，也要考虑需要迫使空气穿过散热片的压力。在设计良好的冷却系统中，压降的主要部分在散热片，散热片的尺寸大小既影响热传递，也影响压力降，任一设计为两者之间的最佳平衡。评定通过散热片的压力降的近似公式与散热片尺寸大小存在函数关系，可用于确定散热片尺寸方面的改变对压力降的影响。

3 封装中的导热模型

在典型情况下，IGBT封装包含两个或更多单个IGBT器件，及其相关的保护二极管，因此在封装内部每个器件的真实温度降依赖于各种器件的设计排放。为了评定芯片之间的温度变化，3D模型技术是必要的。然而采用高度简易的模型方法，更精确地评定其温度是可能的。

3.1 一维模型

采用在上面讨论的关系式研讨IGBT的分析模型和其要求的散热器安置，确定好模型参数并记录在表中，探讨不同几何图形、材料、周围环境条件和气流速率对IGBT结温的影响。

对具有恒定热负载的棱形板材料而言，两个面之间可采用一维热传导的基本关系。然而电子封装中见到的结构，适于沿热路径传导的区域通常不是恒定的。已推导出的关系允许此类状况中热阻的近似计算，这些分析显示的热流，仅仅近似地表示横向的热传播，对于封装每层中传播远近，必须采用部分判断。整个封装的热阻，通过单层热阻求和来估算。

3.2 二维传导模型

分析传热模型，虽然有用于设计的快速评定，但其使用是受限的，作为在不同的各层内部的传热，仅仅是粗略近似的，要令人满意地模拟瞬时状况比较困难。因此，要完成对有关设计进行更进一步的分析，探讨功率瞬变对芯片温度的影响，需要更详细的模型。

通常使用轴对称FE建模技术，作为结构模拟技术，它们对有关旋转轴是对称的，并受到轴对称边界状况的影响。轴对称模型在非旋转对称结构中的替代模型是有效的，诸如半导体粘片，尽管这样的模型不能充分地捕获此结构角上的各种应力，表明了轴对称模型能充分地模拟此类结构的热阻。

轴对称模型已被用于瞬时热特性的评定，以避免完全3D模型的复杂性。图4所示给出了IGBT封装结构的轴对称图，图中每一层近似地作为与真正的几何体中体积相一致的圆柱体，每层半径r可通过下列关系式计算：

这里x和y为该层顶部表面的尺寸，从散热器基底对流传递到周围的情况，可近似地通过恒定的传热系数表示。此处考虑散热片引起的对延伸的表面区域的影响。图5所示给出了采用DBC结构层安装到基板上的芯片的轴对称有限元模型。

图4 IGBT结构的轴对称表示图

图5 IGBT散热片结构2D轴对称FE模型

3.3 三维模型

三维（3D）结构最精确的图形是完全的3D FE模型，并且只有运用此模型，可确定模块内IGBTs布局缺陷的详细情况。制造缺陷诸如焊点空洞，也可采用3D模型进行令人热满意的模拟。然而，此类模型研发较困难，原因在于模型内自由度大，增多了模拟次数和结果。三维模型仅对特定设计的详细评定是可行的，而对大量的设计协调分析是不可行的。

4 建模结果

4.1 一维

依据前面提到的关系式，对基于功率半导体封装分析模型的电子表格进行研讨，考虑不同几何图形、各类材料和气流率对热性能的影响，把此电子表格分为两部分。首先计算结构中每层的热阻，并使用这些数值估算基于给定功率和结温最大值的散热片可允许的温度最大值。接着，采用此信息计算散热器片高度的要求。用参数表示散热片的数量和散热片宽度等，以便分析不同散热片构型的影响。对每个散热片几何图形，通过散热片的压力降，以及结构的重量和体积来判定适合的片状，允许使用者选择最佳设计图形。

使用电子表格来评估用于有集成散热器的IGBT封装的散热要求，总的功耗平均扩散到很多IGBTs，其最大可允许的持续结温为125℃。采用铝土DBC基底，把器件安装到封装基板。计划把模块用于航空功率转换，因此假定按标准规定的最坏状况设定气冷，即在空气中70℃，流动速率220kg/小时·kw，空气压力0.5大气压，也设定功率均匀耗散在IGBTs的顶部面结合区域。

4.2 二维

对预料的稳态功耗最大值而言，图6所示给出了结构内部预计的稳态温度的等值线图。采用电子数据表模型计算热传递系数，并应用于整个较低的模型表面。在超负荷阶段，轴对称模型技术在研究组装瞬态温度上升的中具有特殊价值。针对瞬态模拟，将采用名义上204W负载计算的结构内部的稳态温度，作为初始状况使用，那么此模块经受5秒465W的瞬态热负荷。

图6 表示模块内部预测的稳态温度的等值线图

从这些模拟中发现，对初始模块设计而言，176℃的峰值温度预计在5秒钟超载后发生。这是在规定的超载状况下，认为是过度的温度升高造成的，因此尽力把最大结温降低到150℃。此工作要求仔细选择介质材料、基板厚度和尺寸，以及IGBTs的数目。芯片数量的增加，降低了每个器件的功耗，这反过来降低了器件的峰值温度。

更进一步完成2D模拟，以便探讨增加芯片数量、增大基板面积和厚度出现的结果。结果表明，采用12个较小的芯片（9mm×7mm）替代4个12mm×12mm的芯片，可显著地降低峰值结温。

更进一步探讨建立封装的最佳稳态基底厚度，研究结果表明，最大结温与基板厚度存在函数关系。由于在基底内部横向对流增大，随着基底厚度的增加，预料的结温开始下降。由于基底厚度过度增大，随着经受热阻的增大，结温升高。

4.3 三维

为了得到最佳的热特性，试图考虑几种不同的基底尺寸，采用不同的标准芯片尺寸，如9mm×7mm和12mm×12mm，进行几种不同的设计布局。IGBTs的数目影响每个芯片的功耗，基底尺寸和厚度控制适用于吸收功率瞬变的热质量。

为了简化模拟工作，减少模拟次数，初始3D模拟采用了在电子数据表模型中使用分析方程计算得出的热传递系数，表示散热片的热损失，此系数通常使用于粘附散热片的基底的较低表面区域。

对8个芯片同轴布局的模拟结果如图7所示，尽管此布局可以确保所有芯片经受相同温度的冷却空气，然而，发现比改进的设计产生了器件之间传播的更高的峰值温度，改进的设计是采用如图8所示的12个芯片的完全交错布局。这12个芯片设计的优点是降低了每个芯片的功耗，降低了相邻芯片热流间的相互影响。

图7 8个芯片一行排列IGBT散热片结构的3D FE模型之上温度再分布

图8 完全交错式12芯片IGBT散热片布局的稳态温度再分布图

有关这些布局分析的结果形成了对改进的热性能的下列设计规则，图9所示为芯片布局的设计样品图。

图9 芯片布局选择方法

由于对通过散热片空气的加热，为了避免第二排IGBTs经受更高环境温度，IGBTs应按常规空气流的方向排列，沿着空气流方向的任何一排只有单个芯片。

IGBTs应完全交错式排列，如图9（c）所示，以便器件之间未填充区域是相同的。这种布局策略使IGBTs的峰值温度伸展最小化，因此提高了器件之间的均流。

采用电子数据表模型和上面给出的指导方针，选择已改进的模块设计，使10个芯片进行完全交错式布局。与8个芯片进行比较，虽然此设计的优点是既降低了每个芯片的功耗，又降低了来自相邻芯片热流间的相互影响，比12个芯片模块又更低的成本。对特定功耗而言，稳态模拟的结果，如图10所示。

图10 全交错式10个芯片模块的稳态温度再分布图

5 模型验证

完成模型试验的目的，是在采用高容积基板结构的集成散热片模块的两个不同设计上，构建风洞。对12个芯片模块而言，在如图8所示的可用基板区域，把器件进行很好的分隔，预测的温度非常接近测量的平均温度，见表2。对8个芯片模块而言，把器件紧密聚集在单个的一排中，如图7所示。热量传播的程度受限，在已测量温度和预测的温度之间存在较大差异。

表2 测量和预测的结温比较表

完成10个芯片模块的试验，表3给出了在环境温度为22℃时典型稳态运行状况的实验和模拟结果，以及模块总功耗为150W状况下的情况的对比。3D模拟结果表明，来自风洞的试验与实验数据接近一致。

表3 已测量和预测温度的比较表

6 结束语

综上所述，采用简单分析模型可有效地完成有关气冷高功率电子封装的快速设计探讨。这些模型的稳态结果有利于与典型模块的风洞试验进行比较，然而，这些分析模型不能提供封装布局对单独器件温度影响的详细说明，为了弄清楚这些因素对获得的实际结温的影响，研发了更复杂的3D模型。对稳态和瞬态两种状况而言，初始试验结果表明试验和模拟之间具有良好的一致性。

同时也得出了以下结论，通过增加芯片数目以及在常规风流方向完全交错排列芯片方式，可降低结温；增大芯片尺寸和基板厚度，在瞬态过载状况下也是降低结温的有效方法。

参考文献：

［1］Young，R.M.K.，Newcombe，D.，and Sarvar F.，1999，”Design Factors in Optimization of IGBT Power Module Heatsinks，”Proceedings，Power Conversion and Intelligent MotionConference，pp653-659，ISBN3-928643-22-3.

［2］国电子学会生产技术学分会丛书编委会组编.微电子封装技术（第1版）［M］.合肥：中国科学技术大学出版社，2003.

［3］电子封装技术丛书编委会编.集成电路封装试验手册（第1版）［M］.北京：电子工业出版社，1998.