牛利剛， 王玉林， 滕鶴松， 李聰成

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所，江蘇南京 210016;2.揚(yáng)州國揚(yáng)電子有限公司，江蘇揚(yáng)州 225100)

電力電子器件也稱為功率半導(dǎo)體器件或電力半導(dǎo)體器件，一般是指額定電流超過1 A的半導(dǎo)體器件，功率半導(dǎo)體器件是電力電子技術(shù)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)和核心支撐[1]。目前，種類繁多的功率半導(dǎo)體器件已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ钜粋€(gè)重要組成部分。除其他用途之外，功率半導(dǎo)體器件使得變頻驅(qū)動(dòng)裝置廣泛應(yīng)用于日常消費(fèi)產(chǎn)品(如洗衣機(jī))、工業(yè)領(lǐng)域(如泵)和交通運(yùn)輸(如電力機(jī)車)中[2]。

對(duì)于功率半導(dǎo)體模塊來說，最重要的兩個(gè)熱學(xué)參數(shù)是結(jié)溫和熱阻，而結(jié)溫又直接受熱阻影響，因此熱阻是功率半導(dǎo)體模塊最重要的熱學(xué)指標(biāo)，也是設(shè)計(jì)功率半導(dǎo)體模塊封裝首先要考慮的重要參數(shù)之一。另外，減小功率半導(dǎo)體芯片到冷卻介質(zhì)的熱阻可以使器件通過更大的電流，因?yàn)楣β拾雽?dǎo)體模塊的通流大小與熱環(huán)境相關(guān)[3]，即減小功率模塊封裝熱阻可以提升產(chǎn)品的過電流能力。因此，許多功率模塊廠商、科研機(jī)構(gòu)開始研制雙面冷卻封裝結(jié)構(gòu)，文獻(xiàn)[4]針對(duì)碳化硅(SiC)芯片設(shè)計(jì)了雙面冷卻功率模塊，論述了雙面冷卻可以達(dá)到高效散熱，并能夠有效減小熱阻。功率半導(dǎo)體模塊行業(yè)巨頭德國Infineon公司在2015年開發(fā)了雙面冷卻封裝樣件，熱阻降低了70%[5]。在文獻(xiàn)[6-7]中指出采用雙面冷卻封裝結(jié)構(gòu)使得Si IGBT器件的過電流能力增加了100%～200%。

隨著功率模塊工作頻率的提升，尤其是以碳化硅(SiC)為代表的第三代半導(dǎo)體，具備高頻工作的特性，但傳統(tǒng)封裝結(jié)構(gòu)的雜散電感限制了功率模塊向高頻化應(yīng)用的發(fā)展。雜散電感一直都是電力電子器件應(yīng)用中需要克服的主要難題，尤其對(duì)于高頻和大功率應(yīng)用場(chǎng)合。模塊內(nèi)部的雜散電感會(huì)造成關(guān)斷過程出現(xiàn)過電壓，雜散參數(shù)會(huì)造成模塊關(guān)斷過程中的波形振蕩，從而增加了電磁干擾和關(guān)斷損耗[8]。與傳統(tǒng)封裝結(jié)構(gòu)相比，雙面冷卻封裝結(jié)構(gòu)具有許多優(yōu)勢(shì)，如低雜散電感、靈活布線、雙面散熱等[9-10]，具備高開關(guān)速度的工作能力。

本文設(shè)計(jì)了一款疊層的雙面冷卻功率模塊，在提高冷卻效率的同時(shí)，大大降低了模塊封裝的雜散電感。通過對(duì)傳統(tǒng)的650 V/600 A半橋功率模塊進(jìn)行熱阻仿真、雜散電感提取，并與實(shí)際測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，誤差均在10%以內(nèi)，驗(yàn)證了仿真方法的可行性。然后采用具備可行性的仿真方法對(duì)疊層雙面冷卻功率模塊進(jìn)行熱阻仿真計(jì)算、雜散電感提取，從而論證了本文設(shè)計(jì)的疊層雙面冷卻功率模塊在散熱、電磁性能方面的優(yōu)越性。

1 功率模塊封裝結(jié)構(gòu)

1.1 傳統(tǒng)功率模塊封裝結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的功率模塊采用單面冷卻結(jié)構(gòu)，如圖1所示，主要包括功率芯片、鍵合線、功率端子、外框、絕緣基板(DBC)、底板以及內(nèi)部的灌封膠等，將底板固定在冷卻器表面，功率芯片損耗產(chǎn)生的熱量通過絕緣基板、底板單方向傳導(dǎo)至散熱器。

圖1 傳統(tǒng)功率模塊結(jié)構(gòu)示意及散熱途徑Fig.1 Traditional power module structure and heat dissipation path

1.2 雙面冷卻功率模塊封裝結(jié)構(gòu)

隨著功率半導(dǎo)體模塊封裝技術(shù)的發(fā)展，近幾年對(duì)功率模塊雙面冷卻結(jié)構(gòu)的研究越來越多，但普遍是基于圖2所示的封裝結(jié)構(gòu)，功率芯片的兩側(cè)均焊接有絕緣基板，功率端子全部與絕緣基板相連，絕緣基板的外側(cè)安裝有散熱器。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是可以減小功率模塊的熱阻以及雜散電感，同時(shí)可以減小體積及質(zhì)量，而且由于結(jié)構(gòu)的改進(jìn)使得可靠性也得到了提升。但是受到單層功率芯片布局的限制，體積無法進(jìn)一步縮小，而且單層芯片的布局無法進(jìn)一步縮小換流回路的面積，造成雜散電感無法得到進(jìn)一步降低。

圖2 雙面冷卻功率模塊主流方案示意圖及散熱途徑Fig.2 Double-sided cooling power module scheme and heat dissipation path

1.3 疊層雙面冷卻功率模塊封裝結(jié)構(gòu)

在增強(qiáng)功率模塊散熱性能的同時(shí)，進(jìn)一步優(yōu)化封裝結(jié)構(gòu)，達(dá)到降低雜散電感的目的，設(shè)計(jì)了一款基于疊層功率芯片的雙面冷卻封裝結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。為了降低雜散電感，盡量減小換流回路的面積，通過將上橋臂開關(guān)芯片與下橋臂續(xù)流二極管芯片疊層設(shè)置、將下橋臂開關(guān)芯片與上橋臂續(xù)流二極管芯片疊層設(shè)置，充分減小換流回路的路徑及面積，從而實(shí)現(xiàn)在增強(qiáng)冷卻性能的同時(shí)，充分降低雜散電感。傳統(tǒng)封裝的換流路徑與疊層封裝的換流路徑分別如圖4(a)、(b)所示，可見采用疊層封裝，換流路徑較短而且換流回路面積較小。

圖3 疊層雙面冷卻功率模塊結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic of laminated double-sided cooling power module structure

圖4 傳統(tǒng)封裝與疊層封裝的換流路徑示意圖Fig.4 Schematics of the converter path of traditional packaging and laminated packaging

疊層雙面冷卻功率模塊的具體結(jié)構(gòu)如圖5所示，其中圖5(a)為底部絕緣基板以及焊接在其上的正極功率端子、3顆上橋臂開關(guān)芯片、3顆上橋臂續(xù)流二極管芯片;圖5(b)是在上橋臂芯片的上表面焊接輸出功率端子，其中輸出功率端子的部分區(qū)域直接焊接在底部絕緣基板上;圖5(c)是在輸出功率端子的上表面焊接有3顆下橋臂開關(guān)芯片、3顆下橋臂續(xù)流二極管芯片，其中3顆下橋臂開關(guān)芯片與其下方的3顆上橋臂續(xù)流二極管芯片疊層設(shè)置、3顆下橋臂續(xù)流二極管芯片與其下方的3顆上橋臂開關(guān)芯片疊層設(shè)置;圖5(d)是下橋臂芯片的上表面焊接有頂部絕緣基板，同時(shí)頂部絕緣基板還焊接有負(fù)極功率端子和輔助端子;使用注塑設(shè)備對(duì)雙面冷卻功率模塊進(jìn)行封裝，將頂部絕緣基板、底部絕緣基板的外表面露出封裝體外，如圖5(e)，以便于與散熱器形成良好接觸。

2 仿真方法驗(yàn)證

為了驗(yàn)證熱阻、雜散電感仿真方法的有效性，選取揚(yáng)州國揚(yáng)電子有限公司成熟的650 V/600 A半橋功率模塊(見圖6)進(jìn)行測(cè)試，并與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。當(dāng)仿真結(jié)果與實(shí)際測(cè)試結(jié)果相差10%以內(nèi)，說明仿真方法可行，否則需要調(diào)整仿真材料參數(shù)及模型，直至仿真誤差可以控制在10%以內(nèi)，并將驗(yàn)證后的仿真方法用于疊層雙面冷卻功率模塊的仿真。

圖5 疊層雙面冷卻功率模塊結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematics of laminated double-sided cooling power module structure

圖6 傳統(tǒng)650 V/600 A半橋功率模塊Fig.6 Traditional 650 V/600 A half-bridge power module

2.1 熱阻仿真方法驗(yàn)證

采用Mentor Graphics公司的PT1500功率循環(huán)及熱測(cè)試平臺(tái)，進(jìn)行熱阻測(cè)試，如圖7所示，測(cè)試得到結(jié)殼熱阻RthJC的最大值為0.083℃/W。

在有限元軟件ANSYS中建立傳統(tǒng)650 V/600 A半橋功率模塊的3D模型，如圖8(a)所示，考慮到功率模塊的單向傳熱結(jié)構(gòu)，忽略對(duì)冷卻影響較小的外框、鍵合線、功率端子、硅凝膠等。

功率模塊結(jié)構(gòu)件、材料及熱阻仿真、雜散電感提取用到的材料參數(shù)如表1所示。

圖7 熱阻測(cè)試設(shè)備Fig.7 Thermal resistance testing equipment

圖8 有限元模型及單橋臂溫度分布云圖Fig.8 Finite element model and temperature distribution of single bridge arm

表1 功率模塊結(jié)構(gòu)件材料及參數(shù)Tab.1 Material and characteristic parameters of power module

固定底板下表面的溫度為60℃，即將TC設(shè)定為60℃，根據(jù)測(cè)試結(jié)果計(jì)算得到單橋臂3只并聯(lián)的IGBT芯片的功耗為754.5 W，并將功耗施加到3只并聯(lián)芯片的上表面。仿真得到的溫度分布云圖如圖8(b)所示，根據(jù)公式(TJ-TC)/P=RthJC計(jì)算得到傳統(tǒng)封裝650 V/600 A半橋功率模塊的熱阻RthJC為0.079℃/W，仿真與實(shí)測(cè)的誤差為4.8%，在10%以內(nèi)，因此熱阻仿真方法可行。

2.2 雜散電感仿真方法驗(yàn)證

利用自主設(shè)計(jì)開發(fā)的低電感動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試平臺(tái)對(duì)650 V/600 A模塊進(jìn)行測(cè)試，如圖9所示，計(jì)算得到模塊的雜散電感LsCE為20 nH左右。

將650 V/600 A功率模塊導(dǎo)入雜散參數(shù)提取軟件ANSYS.Q3D，并進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)劃分、工況定義，將激勵(lì)Source、Sink分別施加在端子DC+、DC-的安裝表面，模型及網(wǎng)絡(luò)如圖10所示。通過仿真，提取到650 V/600 A半橋功率模塊的雜散電感LsCE為20.6 nH，仿真結(jié)果與實(shí)際測(cè)試的誤差為3%，因此雜散電感的仿真提取方法可行。

圖9 低電感動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試平臺(tái)Fig.9 Low inductance dynamic parameters test platform

圖10 雜散電感提取模型及網(wǎng)絡(luò)Fig.10 Stray inductance extraction model and network

3 結(jié)果與分析

3.1 冷卻性能分析

功率模塊的結(jié)殼熱阻RthJC是指從芯片的P-N結(jié)到外部散熱表面，功率芯片的損耗會(huì)產(chǎn)生熱量，而熱阻關(guān)系到芯片在功率損耗下的P-N結(jié)的溫度。

疊層雙面冷卻功率模塊的規(guī)格為650 V/600 A，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為半橋，內(nèi)部的芯片與傳統(tǒng)封裝一致，上、下半橋均由3顆650 V/200 A的IGBT芯片并聯(lián)、3顆650 V/200 A的快恢復(fù)二極管芯片并聯(lián)。建模時(shí)忽略對(duì)散熱影響較小的環(huán)氧樹脂。對(duì)上半橋芯片同樣施加754.5 W的功耗，并且將殼溫TC設(shè)定為60℃，即頂部、底部DBC的外側(cè)金屬層表面設(shè)定為60℃。

通過仿真，得到功率模塊的溫度分布云圖如圖11所示，從圖中可以看出最高溫度約為89.08℃，出現(xiàn)在IGBT芯片柵極附近，原因是雙面焊接IGBT芯片的柵極焊接區(qū)域較小，且離同一平面的發(fā)射極焊接區(qū)域較遠(yuǎn)，造成柵極焊接區(qū)域附近的熱量不能良好地傳導(dǎo)到底部DBC。

圖11 疊層雙面冷卻功率模塊整體及內(nèi)部溫度分布云圖Fig.11 Overall and internal temperature distribution of the laminated double-sided cooling power module

利用熱阻計(jì)算公式得到疊層雙面冷卻功率模塊的熱阻約為0.039℃/W，而同等規(guī)格的傳統(tǒng)封裝熱阻為0.079℃/W，可知采用疊層雙面冷卻封裝可以大幅降低功率模塊的熱阻，降低了50.6%左右。文獻(xiàn)[11]中Si MOSFETs芯片采用雙面冷卻封裝結(jié)構(gòu)，熱阻減小了45%～60%，本文設(shè)計(jì)的疊層雙面冷卻封裝結(jié)構(gòu)在散熱方面與文獻(xiàn)[11]處于同一水平。

3.2 雜散電感分析

高頻化的趨勢(shì)使得功率變換器的體積和質(zhì)量大為減小，功率密度增加，變壓器和電感的音頻噪聲大大降低，輸出電壓的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力也得到提高[4-6]。降低雜散電感可以有效減少功率模塊的開關(guān)損耗，也可以相應(yīng)地提高開關(guān)頻率，開關(guān)頻率的提高可以大幅降低電力電子系統(tǒng)的體積和質(zhì)量。

在雜散參數(shù)提取軟件ANSYS.Q3D中建立疊層雙面冷卻功率模塊的模型，并施加激勵(lì)條件，劃分網(wǎng)絡(luò)，如圖12所示。上橋臂IGBT芯片開通時(shí)，電流由正電極DC+輸入，交流端AC輸出，在上橋臂IGBT芯片關(guān)斷后，由下橋臂的快恢復(fù)二極管進(jìn)行續(xù)流，反之亦然。

圖12 疊層雙面冷卻功率模塊模型及網(wǎng)絡(luò)Fig.12 Laminated double-sided cooling power module model and network

經(jīng)過仿真計(jì)算提取到疊層雙面冷卻功率模塊在上橋臂開關(guān)芯片開通、下半橋二極管芯片續(xù)流時(shí)的換流回路雜散電感L1為7.74 nH左右，相應(yīng)的下橋臂開關(guān)芯片開通、上橋臂二極管芯片續(xù)流時(shí)的換流回路雜散電感L2約為7.81 nH，換流回路路徑及雜散電感如圖13所示。與傳統(tǒng)650 V/600 A半橋功率模塊相應(yīng)換流回路的雜散電感相比，疊層雙面冷卻功率模塊的雜散電感降低了約62%。

圖13 換流回路及相應(yīng)雜散電感Fig.13 Converter circuit and corresponding stray inductance

4 結(jié)論

根據(jù)功率模塊封裝發(fā)展要求，設(shè)計(jì)了一款基于功率芯片疊層的雙面冷卻功率模塊，與同等規(guī)格的傳統(tǒng)封裝相比，體積減小了93.6%。

利用驗(yàn)證過的仿真方法，分別仿真了650 V/600 A半橋功率模塊傳統(tǒng)封裝和疊層封裝的溫度，并計(jì)算得到了相應(yīng)的熱阻，其中傳統(tǒng)封裝的熱阻約為0.079℃/W，而疊層雙面冷卻封裝功率模塊的熱阻約為0.039℃/W，熱阻減小了50.6%左右。

采用同樣的仿真方法，分別提取了650 V/600 A半橋功率模塊傳統(tǒng)封裝與疊層封裝的雜散電感，其中傳統(tǒng)封裝的雜散電感約為20.6 nH，而疊層雙面冷卻功率模塊的雜散電感僅為7.8 nH，降低了約62%。