功率半導(dǎo)體需要與散熱器進(jìn)行導(dǎo)熱連接。除了貼裝過(guò)程之外，所使用的熱界面材料以及基板設(shè)計(jì)會(huì)共同對(duì)熱傳導(dǎo)產(chǎn)生影響。除了初始狀態(tài)外，還應(yīng)觀察動(dòng)態(tài)負(fù)載下熱傳導(dǎo)的變化。由于熱膨脹而導(dǎo)致的微位移可能造成熱界面因泵出效應(yīng)而產(chǎn)生劣化。

電力電子組件的新發(fā)展集中體現(xiàn)在三個(gè)主要方面。電氣改善旨在降低開(kāi)關(guān)損耗和靜態(tài)損耗及EMI特性。設(shè)計(jì)中的機(jī)械變化處理機(jī)械強(qiáng)度的改善。機(jī)械設(shè)計(jì)也是改善模塊的熱性能的關(guān)鍵。

這三個(gè)主題中有一個(gè)值得注意的差別。功率模塊總體結(jié)構(gòu)的電氣調(diào)整和內(nèi)部改善都由半導(dǎo)體制造商完成。然而，熱方面主要取決于在用戶現(xiàn)場(chǎng)的安裝。添加的導(dǎo)熱材料及其本身的應(yīng)用過(guò)程對(duì)模塊的性能有重大影響。必須注意全面考慮貼裝方面、模塊與相應(yīng)的散熱器之間的互連以及在最終逆變器預(yù)測(cè)壽命內(nèi)隨后產(chǎn)生的熱機(jī)械效應(yīng)。利用配有一塊較大基板的一個(gè)模塊的示例，可顯示不同的方法如何幫助模塊基板的優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)出色的熱性能來(lái)支持高度可靠、持久耐用的逆變器系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。

熱機(jī)械學(xué)

作為較大塊的組合體，功率模塊在運(yùn)行時(shí)會(huì)受到高溫波動(dòng)的影響。功率半導(dǎo)體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括一個(gè)由不同材料制成的復(fù)合體，這些材料具有不同的熱膨脹系數(shù)(CTE)。結(jié)合基板的宏觀幾何拓?fù)?，運(yùn)行時(shí)會(huì)引起熱機(jī)械位移，造成模塊與散熱器之間的可用體積減小，如圖1所示。

圖1：由于溫差造成的基板形狀的變化，箭頭表示安裝應(yīng)力

這種體積減小是高溫運(yùn)行時(shí)施加到熱樹(shù)脂上的壓力之所以產(chǎn)生的核心原因。由于這種構(gòu)造在冷卻時(shí)會(huì)卸壓，所以其效應(yīng)隨著每一個(gè)熱循環(huán)反復(fù)產(chǎn)生。

由圖可推斷出基板在冷態(tài)下的初始狀態(tài)會(huì)對(duì)由熱引起的位移產(chǎn)生影響。然而，通過(guò)評(píng)估基板在冷態(tài)下的形狀來(lái)判斷模塊的熱性能將導(dǎo)致讓人誤解的解釋。

基板與散熱器在高溫水平下仍然存在的間隙必須盡可能地小，以改善熱耦合。優(yōu)化必須考慮生產(chǎn)時(shí)的初始形狀、預(yù)成形和受熱過(guò)程。設(shè)計(jì)目標(biāo)是增加最終設(shè)計(jì)中受熱有效的基板區(qū)域。除了參考資料中所述的方法之外，對(duì)基板的某些區(qū)域進(jìn)行金屬的良好定向，壓密是一種可行的選擇。在EconoPACK™+D系列的開(kāi)發(fā)階段，對(duì)不同的方法進(jìn)行了評(píng)估。在后來(lái)覆有DCB材料的區(qū)域打上印記，如圖2所述。

圖2：基板和標(biāo)定的DCB的位置

為了評(píng)估熱性能的影響和泵出效應(yīng)的大小，建立了一個(gè)試驗(yàn)臺(tái)，以便在有效的熱應(yīng)力試驗(yàn)中獲得可再現(xiàn)且可比較的結(jié)果。

試驗(yàn)臺(tái)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)系統(tǒng)包括一個(gè)功率模塊，安裝在一個(gè)采用強(qiáng)制風(fēng)冷的適當(dāng)?shù)纳崞魃?。貼裝根據(jù)相應(yīng)應(yīng)用說(shuō)明中的建議進(jìn)行。模塊內(nèi)的所有IGBT芯片被激活并彼此串聯(lián)，以分別實(shí)現(xiàn)均勻的電流分擔(dān)和均勻的升溫過(guò)程。以這種方法，功率模塊內(nèi)的溫度分布與實(shí)際應(yīng)用密切相關(guān)，從而獲得可靠的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由于觀察的泵出效應(yīng)因萬(wàn)有引力的原因在垂直安裝的系統(tǒng)中更加突出，所以試驗(yàn)選擇了這種安裝方向。對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行監(jiān)控包括測(cè)量電源配置提供恒定電流時(shí)的DUT兩端的電壓。在熱力方面，利用紅外照相機(jī)來(lái)檢測(cè)溫度分布中甚至微小的變化，可觀察這種設(shè)置。實(shí)驗(yàn)室中采用的設(shè)置如圖3所示。

圖3：評(píng)估由熱引起的泵出效應(yīng)的試驗(yàn)臺(tái)

優(yōu)化功率模塊的基板是達(dá)到期望的熱性能的一個(gè)必要步驟。但是，基板、熱界面材料和應(yīng)用要求必須作為一個(gè)在規(guī)定的熱條件下正常運(yùn)行的完整系統(tǒng)加以考慮。優(yōu)化必須將涉及的每一方面都考慮在內(nèi)方可達(dá)到可能的最佳結(jié)果。