高功率單相橋模塊封裝熱特性研究及優(yōu)化

王　寧　宋海洋　魏家行　劉斯揚(yáng)　孫偉鋒　朱久桃　余傳武　朱袁正

(1東南大學(xué)國(guó)家專用集成電路系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心,南京210096)(2無(wú)錫新潔能股份有限公司,無(wú)錫214131)

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高功率單相橋模塊封裝熱特性研究及優(yōu)化

王寧1宋海洋1魏家行1劉斯揚(yáng)1孫偉鋒1朱久桃2余傳武2朱袁正2

(1東南大學(xué)國(guó)家專用集成電路系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心,南京210096)(2無(wú)錫新潔能股份有限公司,無(wú)錫214131)

為了提升高功率應(yīng)用下單相橋模塊的熱可靠性,利用有限元仿真分析方法,研究了模塊的封裝熱特性,并與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較,驗(yàn)證了模型求解的準(zhǔn)確性和可靠性．結(jié)果表明：?jiǎn)蜗鄻蚰K結(jié)殼熱阻為0.185 3 ℃/W,封裝7層結(jié)構(gòu)中直接覆銅基板(DBC)陶瓷層占總熱阻的52.12%,將DBC陶瓷絕緣材料替換為高導(dǎo)熱率絕緣材料能夠有效減小結(jié)殼熱阻;在高功率應(yīng)用條件下,由功率端子和引線寄生引起的焦耳熱將進(jìn)一步導(dǎo)致結(jié)溫升高及模塊性能下降．在此基礎(chǔ)上,具體分析了不同功率端子、引線模型對(duì)模塊封裝熱特性的影響．分析表明,采用銅柱型功率端子和增大近端子側(cè)(高電流密度區(qū)域)的引線密度或截面直徑均可降低結(jié)溫,從而有助于提高單相橋模塊的過(guò)電流能力和熱可靠性．

單相橋模塊;高功率;熱阻;功率端子;引線

功率模塊是將功率電子元器件按照一定功能組合封裝成的一個(gè)整體,具有尺寸小、功率密度高等優(yōu)點(diǎn),因此在電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車等領(lǐng)域潛力巨大,近年來(lái)獲得了廣泛關(guān)注[1-2]．然而,隨著工作功率的增大,模塊結(jié)溫上升,使其電學(xué)性能發(fā)生退化,嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致功率模塊失效．

在低功率應(yīng)用條件下,功率器件的功耗對(duì)模塊溫升的影響較大,通過(guò)對(duì)模塊中分立功率電子器件的開關(guān)、導(dǎo)通損耗進(jìn)行計(jì)算,將功耗耦合到軟件中分析模塊的熱特性,就能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)模塊的熱分布情況[3]．然而,在高功率應(yīng)用中,由引線、功率端子等的寄生參數(shù)引起的焦耳熱增長(zhǎng)較多,如果繼續(xù)以功率器件作為唯一熱源研究模塊的熱性能會(huì)引起較大的評(píng)估誤差．因此,深入研究高功率應(yīng)用下引線和功率端子對(duì)模塊熱特性的影響對(duì)于實(shí)際封裝改進(jìn)具有重要意義．

單相橋模塊以其封裝方式的通用性以及對(duì)控制和驅(qū)動(dòng)的良好兼容性占據(jù)著廣泛的市場(chǎng)[4]．本文以高功率單相橋模塊為研究對(duì)象,利用有限元仿真方法分析研究高功率應(yīng)用條件下模塊的熱特性,并優(yōu)化改進(jìn)封裝結(jié)構(gòu),對(duì)實(shí)際的模塊設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值．

1　單相橋模塊結(jié)構(gòu)及熱流路徑

本文基于單相橋模塊進(jìn)行研究,模塊由功率器件、功率端子、引線、DBC(direct bonding copper)基板、底板、外殼等組合封裝而成,其一般應(yīng)用場(chǎng)合為逆變器、電機(jī)調(diào)速、機(jī)車牽引和斬波電路等[5]．

為了評(píng)估功率模塊的熱可靠性,必須建立一個(gè)有效且準(zhǔn)確的封裝模型來(lái)預(yù)測(cè)散熱性能,這種方法可以為后續(xù)的封裝設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)[6]．圖1為單相橋模塊的主要封裝結(jié)構(gòu)、散熱路徑及熱阻熱容網(wǎng)絡(luò),從圖1(a)主要封裝結(jié)構(gòu)及散熱路徑可知,本文所研究的單相橋模塊的封裝形式為7層結(jié)構(gòu),其中功率器件產(chǎn)生的熱量通過(guò)芯片焊接層、DBC基板、焊接層、底板傳導(dǎo)至外界環(huán)境．

(a) 模塊主要封裝結(jié)構(gòu)及散熱路徑

(b) 模塊熱阻熱容網(wǎng)絡(luò)圖1　功率模塊主要結(jié)構(gòu)、散熱路徑及熱阻熱容網(wǎng)絡(luò)

熱阻是反映系統(tǒng)阻止熱量傳遞能力的綜合參數(shù),通過(guò)比較功率模塊熱阻的大小,能夠較直觀地確定封裝結(jié)構(gòu)散熱能力的優(yōu)劣[7]．穩(wěn)態(tài)熱阻Rth的定義為[8]

(1)

式中,ΔT為所關(guān)注的溫度差(如結(jié)溫和殼溫、結(jié)溫和環(huán)境溫度等);P為穩(wěn)態(tài)功耗[6]．從圖1(b)熱阻熱容網(wǎng)絡(luò)可以看出,單相橋模塊的穩(wěn)態(tài)熱阻為7層結(jié)構(gòu)層的熱阻的串聯(lián),較高的穩(wěn)態(tài)熱阻意味著較差的散熱能力,這會(huì)導(dǎo)致功率模塊與環(huán)境溫差過(guò)高,根據(jù)壽命-溫差關(guān)系[9]可知,較高的溫差會(huì)嚴(yán)重降低功率模塊的壽命;而較低的熱阻則有利于發(fā)揮模塊的最佳性能,滿足客戶對(duì)產(chǎn)品高性能、低功耗的需求[6]．

2　有限元模型的建立與校準(zhǔn)

2.1封裝熱模型的建立

根據(jù)實(shí)際單相橋模塊的幾何尺寸,借助三維建模軟件建立如圖2所示的模型,模型由功率端子、功率芯片、引線、底板、DBC、焊接材料組成,功率芯片與DBC基板通過(guò)焊接材料分別焊接在DBC上銅層和底板上．通常接觸熱阻的數(shù)值為0.2 ℃/(m2·W)[10],但是功率模塊中各層的接觸面較小,接觸熱阻可以忽略．所以,模型假定各結(jié)構(gòu)層界面為理想接觸,且各結(jié)構(gòu)層材料為均質(zhì)、各向同性的連續(xù)介質(zhì)．

圖2　單相橋模塊封裝模型

本文采用ANSYS熱-電分析模塊模擬實(shí)際工作情況以進(jìn)行仿真,研究功率模塊在高功率應(yīng)用下的封裝熱特性．封裝模型對(duì)應(yīng)材料的詳細(xì)參數(shù)如表1所示.

2.2仿真與測(cè)試結(jié)果對(duì)比校準(zhǔn)

通過(guò)ANSYS對(duì)封裝模型設(shè)置仿真分析條件為:

表1　功率模塊材料參數(shù)

環(huán)境溫度22 ℃,對(duì)流換熱系數(shù)15 W/(m2·℃),輸入功率2 W．圖3為功率模塊溫度分布情況,結(jié)溫Tj定義為實(shí)際工作半導(dǎo)體芯片的溫度,殼溫Tc為最快散熱路徑上外殼的溫度[11],所以單相橋模塊的結(jié)溫為功率芯片的溫度,殼溫為底板下表面的溫度．從圖中可以看出,模塊的最高結(jié)溫Tjmax為25.454 ℃,最高殼溫Tcmax為25.077 ℃．根據(jù)式(1)計(jì)算得出功率模塊的結(jié)殼熱阻為0.188 5 ℃/W．

(a) 結(jié)溫Tj

(b) 殼溫Tc圖3　功率模塊溫度分布

利用瞬態(tài)雙界面法[12](TDI)通過(guò)熱阻測(cè)試儀T3Ster測(cè)量得到的熱阻-熱容曲線如圖4所示．根據(jù)半導(dǎo)體器件結(jié)殼熱阻瞬態(tài)雙界面法參考標(biāo)準(zhǔn)JESD-51-14[13],第1次測(cè)量將單相橋模塊干接觸在定制散熱器上,第2次測(cè)量在模塊和散熱器之間放置導(dǎo)熱硅脂分離層,由于2次測(cè)量散熱路徑的改變僅發(fā)生在殼外,所以圖4所示2條熱阻-熱容曲線的分界點(diǎn)在結(jié)構(gòu)上對(duì)應(yīng)模塊的外殼．單相橋模塊結(jié)殼熱阻測(cè)試結(jié)果為0.185 3 ℃/W,仿真數(shù)據(jù)和實(shí)際測(cè)試誤差僅1.7%,意味著仿真和實(shí)測(cè)有較好的吻合度,驗(yàn)證了封裝模型的準(zhǔn)確性．

圖4　單相橋模塊T3Ster熱阻-熱容測(cè)試曲線(測(cè)試電流20 A)

3　影響熱特性的因素分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1影響因素分析

在高功率應(yīng)用條件下,除了功率電子器件的功耗之外,模塊其他組件的發(fā)熱也不可忽視,特別是功率端子和引線的寄生焦耳熱[14]．因此,本文重點(diǎn)研究高功率應(yīng)用條件下功率端子和引線對(duì)單相橋模塊熱特性的影響．

單相橋模塊高邊功率器件和低邊功率器件在封裝結(jié)構(gòu)上近似對(duì)稱,因此本文取高邊功率器件作為研究對(duì)象,并以功率器件上的最高結(jié)溫為目標(biāo)函數(shù)分別提出改進(jìn)方案,設(shè)計(jì)了如下4組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行比較:

① 單相橋模塊中功率器件作為唯一熱源,提供產(chǎn)熱功耗;

② 在①的基礎(chǔ)上,將功率端子作為第2發(fā)熱源,引線無(wú)產(chǎn)熱功耗;

③ 在①的基礎(chǔ)上,考慮引線寄生的焦耳熱,功率端子無(wú)產(chǎn)熱功耗;

④ 在①的基礎(chǔ)上,同時(shí)考慮功率端子和引線的產(chǎn)熱功耗．

為模擬實(shí)際高功率應(yīng)用條件,仿真使用120 A工作電流,此時(shí),功率器件工作功耗為11.28 W．以上4組實(shí)驗(yàn)均采用底板強(qiáng)制對(duì)流散熱,其換熱系數(shù)為100 W/(m2·℃),環(huán)境溫度為22 ℃．圖5為4組實(shí)驗(yàn)中模塊的結(jié)溫情況,最高結(jié)溫分別為89.27,93.04,103.37,107.25 ℃．

圖5　4種實(shí)驗(yàn)情況結(jié)溫

從圖5中可以看出,同時(shí)引入功率端子和引線雙熱源的條件下,功率器件上的結(jié)溫最高．以功率器件作為單一熱源的最高結(jié)溫89.27 ℃為基準(zhǔn),第②,③,④組實(shí)驗(yàn)與第①組實(shí)驗(yàn)的結(jié)溫溫差分別為3.77,14.10和17.98 ℃．所以,在高功率應(yīng)用條件下,單相橋模塊的結(jié)溫受功率端子和引線發(fā)熱影響較大．如果只采用功率器件單一功耗分析模塊熱特性,會(huì)造成結(jié)溫的嚴(yán)重低估．

如圖5所示,在高功率應(yīng)用下引線引起的結(jié)溫溫升高于功率端子,這主要是因?yàn)橐€材質(zhì)為電導(dǎo)率較低的鋁材料,并且電流截面直徑較小,電阻較大;而端子采用銅材質(zhì),并且電流截面較大,電阻較小,因此同樣電流大小情況下端子的產(chǎn)熱量較?。?/p>

下面分別從功率模塊結(jié)殼熱阻優(yōu)化、功率端子選擇和引線改進(jìn)方面進(jìn)行研究分析．

3.2結(jié)殼熱阻的優(yōu)化改進(jìn)

單相橋模塊的結(jié)殼熱阻為0.185 3 ℃/W,各結(jié)構(gòu)層熱阻如圖6所示,DBC基板的Al2O3陶瓷層熱阻最大為0.096 ℃/W,占模塊總熱阻的52.12%．這種情況下,單相橋模塊的熱性能的提升應(yīng)主要致力于減小DBC絕緣層的熱阻．采用較高熱導(dǎo)率的絕緣材料(如AlN，Si等[15])替代Al2O3陶瓷作為DBC基板的絕緣層,能夠有效降低模塊的結(jié)殼熱阻,增強(qiáng)熱可靠性．結(jié)殼熱阻和DBC絕緣層熱導(dǎo)率的關(guān)系如圖7所示,隨著熱導(dǎo)率的增大,模塊的熱阻減小,且降低趨勢(shì)逐漸趨于平緩，并接近0.1 ℃/W．

圖6　單相橋模塊各層熱阻

圖7　單相橋模塊結(jié)殼熱阻隨熱導(dǎo)率變化曲線

3.3功率端子優(yōu)化選擇

圖8所示為單相橋模塊常用的3種功率端子模型．在實(shí)際工作應(yīng)用中,單C型和雙C型功率端子的幾何高度和截面尺寸相同,分別為10 mm和11 mm2;銅柱型功率端子的高度和截面尺寸分別為8.8 mm和44 mm2．圖9為3種常用類型功率端子的模塊在120 A工作電流條件下的瞬態(tài)結(jié)溫響應(yīng)曲線,初始環(huán)境溫度為22 ℃,對(duì)流換熱系數(shù)為15 W/(m2·℃)．

圖8　3種常用功率端子

圖9　3種常用功率端子瞬態(tài)溫度響應(yīng)

由圖9可以看出,相同大小工作電流條件下,銅柱型功率端子模塊的瞬態(tài)結(jié)溫最低,單C型功率端子模塊的結(jié)溫大于雙C型端子．這是由于銅柱型功率端子的電流截面尺寸最大,高度較低,使得其電阻最小,產(chǎn)熱功耗最低;雙C型功率端子為雙C形區(qū)并聯(lián)結(jié)構(gòu),電阻較小,所以由C形區(qū)電阻寄生的焦耳熱較低,使得雙C型功率端子模塊溫度低于單C型功率端子模塊．通過(guò)分析對(duì)比可以看出,銅柱型功率端子的過(guò)電流能力以及熱可靠性均優(yōu)于另外2種功率端子,有助于提高功率模塊的熱穩(wěn)定性．

3.4引線優(yōu)化改進(jìn)

如圖5所示,引線寄生焦耳熱導(dǎo)致功率器件的最大結(jié)溫升高14.1 ℃．優(yōu)化改進(jìn)引線能夠有效降低器件的結(jié)溫,有利于增強(qiáng)模塊的過(guò)電流能力和熱性能．為準(zhǔn)確研究引線對(duì)功率器件熱特性的影響,仿真忽略單相橋模塊功率器件和端子的發(fā)熱,采用引線單獨(dú)產(chǎn)熱功耗分析器件熱特性．如圖10所示的引線模型,其原引線尺寸相同且采用均勻等距方式排布,引線截面直徑為0.38 mm,間距為0.32 mm,仿真條件為:對(duì)流換熱系數(shù)為15 W/(m2·℃),初始環(huán)境溫度為22 ℃,引線總電流為36 A．

圖10　引線模型

圖11所示的功率器件溫度分布中,最高結(jié)溫點(diǎn)位于引線與功率器件的焊接界面處,溫度從靠近功率端子區(qū)域到遠(yuǎn)離功率端子區(qū)域逐漸減?。@一結(jié)果說(shuō)明電流在不同區(qū)域的引線上大小并不相等,靠近功率端子的引線上電流較大,遠(yuǎn)離功率端子區(qū)域的引線上電流較?。?/p>

圖11　功率器件溫度分布

綜合原引線模型以及上述引線電流分布情況,本文提出如圖10所示的3種改進(jìn)方案:方案1為增大近端子區(qū)域的引線排布密度,引線間距從近端子區(qū)域到遠(yuǎn)端子區(qū)域等差增大,最小間隔為0.2 mm,最大為0.32 mm;方案2為增大近端子區(qū)域的引線截面直徑,引線截面尺寸從近端子側(cè)到遠(yuǎn)端子側(cè)等差減小,最大直徑為0.54 mm,最小為0.38 mm;方案3綜合方案1、方案2,引線排布密度和截面直徑從近端子區(qū)域到遠(yuǎn)端子區(qū)域等差減小,尺寸大小與方案1、方案2相等．

圖12所示為4種引線模型的器件結(jié)溫,原引線方式功率器件的最高結(jié)溫為67.149 ℃,方案1、方案2、方案3三種改進(jìn)引線模型的器件最高結(jié)溫Tj分別為50.897,47.901和43.813 ℃;相比原模塊,最高結(jié)溫溫差ΔTj分別為15.96,18.95,23.04 ℃．顯然,3種改進(jìn)方案均能夠降低器件結(jié)溫,保證模塊性能,方案3效果優(yōu)于方案1、方案2．

圖12　引線模型對(duì)應(yīng)器件結(jié)溫

圖11一維坐標(biāo)中,功率器件從靠近功率端子到遠(yuǎn)離功率端子的結(jié)溫值變化如圖13所示,方案1、方案2、方案3三種引線模型對(duì)應(yīng)的最大結(jié)溫差分別為1.960,1.211,0.749 ℃,原引線模型的最大結(jié)溫差為3.1 ℃．與原引線方式相比,3種改進(jìn)模型都能有效減小功率器件上的最高結(jié)溫與最低結(jié)溫之間的差值,提高器件工作壽命,方案3最高結(jié)溫和最低結(jié)溫之間的差值最小,改進(jìn)效果最明顯．

圖13　功率器件靠近端子距離與結(jié)溫關(guān)系

綜上所述,增大近端子區(qū)域引線排布密度或引線截面直徑,減小引線電阻,能夠降低引線焦耳熱,從而降低結(jié)溫,提高模塊熱可靠性．同時(shí),遠(yuǎn)端子區(qū)域引線密度和截面尺寸相對(duì)較小,引線電阻大,產(chǎn)熱功耗高,有助于提高該區(qū)域的器件溫度,減小與最高結(jié)溫之間的溫度差,增加可循環(huán)工作次數(shù)．

4　結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)建立有限元模型對(duì)單相橋功率模塊的封裝熱特性進(jìn)行研究,結(jié)果表明高功率工作應(yīng)用條件下,功率端子以及引線等多熱源產(chǎn)熱會(huì)提高結(jié)溫,加速功率器件的性能退化．選用熱導(dǎo)率較高的絕緣材料替代原DBC中Al2O3陶瓷材料能夠?qū)⒛K結(jié)殼熱阻從0.185 3 ℃/W降低至0.1 ℃/W,增強(qiáng)了模塊的熱穩(wěn)定性．此外,通過(guò)分析不同的端子和引線模型對(duì)于模塊熱特性的影響,得出:采用銅柱型功率端子,同時(shí)增大近端子區(qū)域(高電流密度區(qū)域)引線排布密度和引線截面直徑能夠有效降低結(jié)溫,有助于增加模塊使用壽命．

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Investigation and optimization of thermal characteristics for high power single phase bridge module

Wang Ning1Song Haiyang1Wei Jiaxing1Liu Siyang1Sun Weifeng1Zhu Jiutao2Yu Chuanwu2Zhu Yuanzheng2

(1National ASIC System Engineering Technology Research Center, Southeast University, Nanjing 210096, China) (2Wuxi NCE Power Co., Ltd.,Wuxi 214131,China)

In order to improve the thermal reliability of single phase bridge module for high power applications, the thermal characteristics of the module are investigated by using finite elements simulation and analysis methods. The accuracy and reliability of simulation analysis are verified by comparing with the measured results.The results show that the junction-to-case thermal resistance of the power module is 0.185 3 ℃/W, while the insulated ceramic layer of direct bonding copper (DBC) among the 7-layer structure of the module package occupies 52.12% of it. The solution replacing the initial ceramic layer by the higher thermal conductivity materials can reduce the junction-to-case thermal resistance effectively. Moreover, the parasitic joule heat induced by power terminals and bonding wires will further increase the junction temperature and make the module suffer from more degradation. The influences of different power terminals and bonding wires on the thermal characteristics of the module are analyzed specifically. Both adopting copper pillar power terminals and enlarging the density or cross sectional areas of bonding wires near the terminal side(high current density region)can reduce junction temperature. As a result, the thermal reliability and current capability of single phase bridge power module can be improved.

single phase bridge module; high power; thermal resistance; power terminals; bonding wires

10.3969/j.issn.1001-0505.2016.05.005

2016-03-23.作者簡(jiǎn)介: 王寧(1991—),男,碩士生;孫偉鋒(聯(lián)系人),男,博士,教授,博士生導(dǎo)師,swffrog@seu.edu.cn.

港澳臺(tái)國(guó)際合作計(jì)劃資助項(xiàng)目(2014DFH10190)、中國(guó)博士后基金資助項(xiàng)目(2015M580376)、江蘇省博士后科研資助計(jì)劃資助項(xiàng)目(1501010A).

TB482.2

A

1001-0505(2016)05-0928-06

引用本文: 王寧,宋海洋,魏家行，等.高功率單相橋模塊封裝熱特性研究及優(yōu)化[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2016,46(5):928-933. DOI:10.3969/j.issn.1001-0505.2016.05.005.