IGBT的四大散熱技術發展趨勢小結

熱學特性是功率器件的靈魂! 芯片工作產生的熱量通過不同的介質、界面傳遞到散熱器，將熱量散出，傳遞路徑的熱阻用Rthjc來表示。

Note:

1）芯片面積越大，熱阻越小；

2）熱阻并非恒定值，受脈寬、占空比等影響；

3）對于新能源汽車直接冷卻，熱阻受冷卻液流速的影響；

對于模組來講，技術迭代主要圍繞封裝和連接。目前電機逆變器中IGBT模塊普遍采用銅基板，上面焊接覆銅陶瓷板（DBC，DirectBond Copper），IGBT 及二極管芯片焊接在DBC板上，芯片間、芯片與DBC板、芯片與端口間一般通過鋁綁線來連接，而基板下面通過導熱硅脂與散熱器連接進行水冷散熱。模組封裝和連接技術始終圍繞基板、DBC板、焊接、綁定線及散熱結構持續優化。

1）芯片間連接方式：鋁線/鋁帶→銅線→平面式連接。

目前IGBT芯片之間大多通過鋁線進行焊接，但線的粗細限制了電流強度，需要并聯使用、或者改為鋁帶連接，但是鋁質導線由于材料及結構問題易產生熱疲勞加速老化斷裂導致模塊失效。

因此，Danfoss等廠商引入銅導線來提高電流容納能力、改善高溫疲勞性能，三菱電機、德爾福及賽米控則分別采用CuLead Frame（引線框架）、對稱式的DBC板及柔性電路板實現芯片間的平面式連接，并與雙面水冷結構相結合進一步改善散熱，維持模塊的穩定性。

2）散熱結構：單面間接散熱→單面直接水冷→雙面水冷結構。

*初的間接散熱結構是將基板與散熱器用導熱硅脂進行連接，但導熱硅脂散熱性較差，根據Semikron公司的《功率半導體應用手冊》，貢獻了芯片到散熱器之間50%以上的熱阻。

單面直接水冷結構在基板背面增加針翅狀（PinFin）散熱結構，無需導熱硅脂，直接插入散熱水套中，熱阻可降低40%以上。富士的第三代單面直接水冷結構則將基板散熱針翅與水套實現一體化，進一步降低30%的熱阻。目前英飛凌HP2/HPDrive、三菱電機J1系列、比亞迪V-215/V-315等主流汽車IGBT模塊均采用單面直接水冷結構。

目前雙面水冷的結構也開始逐步應用廣泛，普遍在芯片正面采用平面式連接并加裝Pin-Fin結構實現雙面散熱，目前代表性的應用包括InfineonHP DSC 模塊、德爾福Viper模塊（雪佛蘭Volt）及日立的雙面水冷模塊（奧迪e-tron）。

3）DBC板及基板：材料迭代

未來DBC板的材料由Al2O3→AlN→Si3N4迭代，基板材料由Cu向AlSiC迭代。

基板與DBC 板材料、以及DBC板與Si基芯片之間膨脹系數的差異決定了在大的溫度變化時連接層是否會出現變形和脫落。DBC板材料需要重點考慮與Si基芯片熱膨脹系數的匹配因素，其次考慮是否具備高熱導率，目前應用*廣的Al2O3陶瓷材料熱導率較低、且與芯片的膨脹系數差異較大，局限性很明顯，AlN、Si3N4憑借與Si材料更為接近的熱膨脹系數、更高熱導率開始逐步導入，比如德爾福Viper模塊應用AlN陶瓷材料。

基板與散熱器直接相連，需要重點考慮熱導率，其次考慮與芯片、DBC之間熱膨脹系數的匹配，目前常用銅基板來實現快速散熱，而AlSiC熱導率雖不如銅，但熱膨脹系數更接近芯片及DBC，能夠有效改善模塊的熱循環能力，滲透率快速提升。另外有部分廠商直接采取無基板的設計策略，比如賽米控汽車級功率模塊SkiM直接將DBC通過高性能導熱硅脂直接壓在散熱器上，配合銀燒結技術*終將其溫度循環能力提高15倍。

4）芯片、BC板以及基板間連接方式：SnAg焊接→SnSb焊接、Ag/Cu燒結

目前芯片之間的綁定線、芯片與DBC板及DBC板與基板間的連接普遍通過SnAg焊接的方式，但溫度循環產生應力容易導致DBC板和散熱基板之間焊接層出現裂縫，焊接老化也會引起芯片溫度上升，*終影響模塊的壽命。

因此SnSb焊接、低溫銀燒結、銅燒結等技術逐步引入，比如富士電機車載IGBT模塊在DBC和基板之間采用SnSb焊接代替SnAg焊接抑制裂痕擴展。

Semikron的SKiN技術采用Ag燒結，日立汽車功率模塊采用Cu燒結，實現穩定的連接、更優的溫度特性更長的壽命。

其中，根據Semikron官網，Ag燒結層厚度比焊接層至少薄70%，熱導率提升3倍，熱阻減小為1/15，但成本較高，Cu燒結的抗電子遷移能力及熱循環能力更好，成本相較于Ag也明顯降低，但燒結易出現氧化，對模塊廠商的技術能力要求非常高。