加入收藏    设为首页
热销产品
> IGBT基础 > 文章正文

IGBT热传导

图2.5.15 显示了一个无底板模块的不同层次,在没有热干扰的情况下, 散热的温度分布。在这里每层的热传导性和热流的面积都被考虑到。通过增加面积和改善热传导性,可以降低下面一层的热阻。较薄的铜层会在一维模型中好像有一个较小的热阻,但在真实的三维空间,热阻Rth 将随着散热能力的下降而加大。有较厚金属层的DCB基板对散热有好处,但它们却增加了基板的热应力。
热传播并不仅仅取决于该层的材料特性,而且同下面一层的材料特性有关。为了使热流通过导热性不好的层次,必须建立一个相应高的势能差(温差)。这就导致了它上面必须是好的导热层,以增加交叉传导(散热)。
无底板模块每层的散热a)和典型的曲线 (0.38 mm Al2O3-陶瓷, 25 μm-导热膏 TIM)
通过使用良好的导电材料,可以减少热阻。例如特殊的氧化硅SOD(Silicon onDiamond SOD),将会在未来市场上占有一席
每层热阻的比例
1200V,9 mm x 9 mm 芯片面积的功率模块 a)DCB-基板 (Al2O3) 带铜底板, 100 μm WLP; b)DCB-基板 (Al2O3)不带铜底板, 25 μm WLP
图2.5.16 给出了在目前使用的,带底板或不带底板的,由氧化铝基板制成的模块中,每层对热阻Rth(j-s)的影响,我们将在2.5.4 章讨论热阻。
在这两种情况下,从芯片到冷却片的大部分热阻(50%)是在导热膏层上(TIM –thermal interface material)。这开始时很不被理解,因为底板有很好的散热性,而导热膏相比就较差。底板在焊接时受热产生弯曲,它不可能同冷却片严丝合缝的接触,陶瓷质的底板同金属质的冷却片焊接在一起,它们的热膨胀系数不同,所以它们之间的缝隙不会变小。而且这种缝隙是随时变化的,它同样与工作温度有关,所谓理想的底板形状只是指在某一温度下的平整程度。这样弯曲的底板只通过边缘的螺丝钉,用不太大的压力把它压紧到散热片上(图2.5.18)。这就构成了较厚的、导热能力不好的层(通常为100 微米... 200 微米) [文献,而且模块越大散热效果越差。在图2.5.17 中可以明显看出四个焊接DCB 留下的巢状图案。有人也试图通过把底板分成几块,每块单独DCB 基板连接底板,用这样的方法来减小大块底板带来的弯曲。
底板本身虽然采用高导热率材料(铜:λ=393 W/m*K),但因为它的厚度(2 到5 毫米),它在整个模块热阻中占有不可忽视的份额。减薄底板厚度只能有限的减少它的份额,因为在芯片下的底板从芯片吸取热量,它的截面积越大就散热越快,所以减薄也会减少芯片下的传热截面积。大功率的模块(大于1000A)常常使用AlN 陶瓷 和AlSiC 底板。这主要是它们的热膨胀系数相近(α:AIN 5.7 ppm,AlSiC 7 ppm,铜 17ppm, 参考第2.7 章可靠性)。同铜相比,AlSiC 不良的导热性(λ=180 W/m*K)就提高了热阻,降低了热传导。正如已经提到的,取消底板是最有效的解决方案,它就删除了底板和陶瓷间机械应力带来的弯曲问题。因为没有铜层的散热而带来的额外热阻,正好平衡了删除底板和反面焊接产生的热阻。实际上这种结构是把芯片直接固定在散热片上,它可使导热膏的厚度减少20 到30 微米。一般用多个压力连接件,在芯片附近把DCB 压紧在散热片上。
功率模块同散热片的示意图 a)带底板模块在安装前(会弯曲) b)带底板模块在安装后(会变形) c)不带底板DCB 模块(如:SEMITOP, SKiiP, MiniSKiiP)
模块的绝缘占内部热阻的最高份额。一个用薄膜或者相类似的额外绝缘层会更糟糕。相比现在使用标准96%纯度的氧化铝(λ= 28W/m*K),高纯度氧化铝(λ= 28W/m*K)或氮化铝(AlN,λ= 180 到200W/m*K)可以说是一种改善。导热性明显提高的氮化铝会使热阻明显降低,允许的电流强度大幅度提高。当然,它的成本也很高。高导热材料的应用往往是面临着成本问题。因此,氮化铝AIN 主要用于高电压绝缘模块(厚绝缘陶瓷),因为同时增加了绝缘强度和导热性。
芯片同基板焊接接头和底板(如有的话)带来的热阻只占总热阻的百分之几。去掉底板或者用薄的导热性更好的银烧结层来代替底板,它还会减半。基板的金属表面比例在很大程度上取决于表面的铜表面,它用于连接芯片和模块内部的电气系统。因为热流能在散热器侧面的铜层几乎不受阻碍传播,所以芯片下的铜表面的几何尺寸就会限制散热效果。在[文献37]中发现,在不受打扰的热量传播时,如果铜的面积同芯片表面相同的话,一个在三氧化二铝DCB 陶瓷上42 mm²的芯片的热阻Rth(j-c)会增长15%。硅芯片的热阻比例,随着芯片厚度而增加,而芯片的厚度是由正向截止电压和芯片技术所决定的。同时芯片的尺寸决定了芯片与基板或者散热片之间的传热面积。

    验证码: 点击我更换图片
       上海菱端电子科技有限公司:
       联系人:夏小姐
       服务热线:021-58979561
       业务咨询qq:447495955
       业务咨询qq:1852433657
       业务咨询qq:513845646
       技术支持qq:313548578
       技术交流群:376450741
       业务咨询:  点这里给我发消息
       业务咨询:  点这里给我发消息
       业务咨询:  点这里给我发消息
       技术支持:  点这里给我发消息
       媒体合作:  点这里给我发消息