羅哲雄 周望君 陸金輝 董國(guó)忠

雙面散熱汽車IGBT模塊熱測(cè)試方法研究

羅哲雄1,2周望君1,2陸金輝1,2董國(guó)忠1,2

（1. 株洲中車時(shí)代半導(dǎo)體有限公司，湖南 株洲 412001； 2. 新型功率半導(dǎo)體器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 株洲 412001）

與傳統(tǒng)單面散熱IGBT模塊不同，雙面散熱汽車IGBT模塊同時(shí)向正、反兩面?zhèn)鲗?dǎo)熱量，其熱測(cè)試評(píng)估方式需重新考量。本文進(jìn)行雙面散熱汽車IGBT模塊熱測(cè)試工裝開發(fā)與熱界面材料選型，同時(shí)對(duì)比研究模塊壓裝方式，開發(fā)出一種適用于雙面散熱汽車IGBT模塊的雙界面散熱結(jié)構(gòu)熱測(cè)試方法，可實(shí)現(xiàn)單面熱阻測(cè)試，對(duì)比單面與雙面熱阻值、實(shí)測(cè)值與仿真值之間的差異，并討論差異產(chǎn)生原因與修正手段。測(cè)試結(jié)果表明，該方法具有良好的可重復(fù)性與可推廣性，可為雙面散熱汽車IGBT模塊的熱測(cè)試提供參考。

雙面散熱；汽車IGBT；熱阻測(cè)試

0 引言

近年來，全球溫室效應(yīng)的加劇與化石能源的日漸枯竭逐漸成為制約傳統(tǒng)燃料汽車發(fā)展的瓶頸[1]。功率芯片的面積越來越小、開關(guān)速度越來越快、工作頻率越來越高，其單位面積的熱通量持續(xù)增加，功率芯片的熱管理已成為制約功率模塊應(yīng)用的瓶頸問題，亟需先進(jìn)的封裝結(jié)構(gòu)和封裝工藝，降低功率模塊的熱阻[2-4]。相對(duì)于傳統(tǒng)單面散熱（single-sided cooling, SSC）功率模塊，雙面散熱（double-sided cooling, DSC）功率模塊具有更強(qiáng)的散熱能力和更低的寄生參數(shù)。為了進(jìn)一步提高車用電機(jī)控制器的效率、功率密度和可靠性，雙面散熱功率模塊在電動(dòng)汽車中的應(yīng)用得到了越來越多的關(guān)注[5-6]。隨著雙面散熱汽車IGBT器件在豐田（Denso）、通用（Delphi）、特斯拉（ST）等廠家的成功批量應(yīng)用，市場(chǎng)對(duì)雙面散熱IGBT模塊的需求急劇增加。

相對(duì)于傳統(tǒng)單面散熱功率模塊，雙面散熱功率模塊采用先進(jìn)的三維封裝結(jié)構(gòu)[7-9]。雙面散熱IGBT功率模塊具有多個(gè)傳熱通道，現(xiàn)有熱阻測(cè)試方法仍然沿用單通道傳熱的熱阻測(cè)試方法[10-15]。與傳統(tǒng)單面散熱IGBT模塊不同，雙面散熱汽車IGBT模塊同時(shí)向正、反兩面?zhèn)鲗?dǎo)熱量，其散熱方式與壓接式IGBT模塊類似，但由于封裝結(jié)構(gòu)不同，其內(nèi)部散熱路徑與熱阻會(huì)有較大差別，評(píng)估方式需重新考量。目前，只有英飛凌等少數(shù)大廠推出了雙面散熱汽車系列化產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)外關(guān)于雙面散熱汽車產(chǎn)品熱測(cè)試的可參考文獻(xiàn)較少。

本文重點(diǎn)研究雙面散熱汽車IGBT模塊熱測(cè)試方法。首先提出一種新的雙界面熱測(cè)試思路，然后基于一款雙面散熱汽車X模塊的封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開發(fā)熱測(cè)試工裝，并完成熱界面材料的調(diào)研與選型，同時(shí)對(duì)模塊不同壓裝方式進(jìn)行對(duì)比研究，開發(fā)出一種適用于雙面散熱汽車IGBT模塊的單面熱阻抗測(cè)試方法，并成功實(shí)現(xiàn)X模塊的雙面與單面熱阻測(cè)試，最后對(duì)比單面與雙面熱阻值、實(shí)測(cè)值與仿真值之間的差異，并討論差異的產(chǎn)生原因與修正手段。

1 熱測(cè)試方案

1.1 傳統(tǒng)方法與主要問題

IGBT的結(jié)溫測(cè)試方法主要有熱敏參數(shù)法、有限元仿真法、傳感標(biāo)定法、紅外掃描法等[16]，傳統(tǒng)的IGBT模塊結(jié)-殼熱阻測(cè)試采用JESD 51—14標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的雙界面法，分別測(cè)量有導(dǎo)熱脂、無導(dǎo)熱脂兩個(gè)界面下的溫度曲線，轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線，求出兩條曲線的重合部分，就可以得出IGBT產(chǎn)品的結(jié)-殼瞬態(tài)熱阻抗曲線。

雙面散熱IGBT模塊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定其對(duì)接觸熱阻要求非常高，而X模塊特殊工藝過程引入的拱度問題會(huì)導(dǎo)致散熱面與散熱器的直接壓接效果不良，散熱面之間存在空隙，造成X模塊與散熱器直接壓裝效果如圖1所示。雙界面法測(cè)試的前提是保證兩個(gè)界面條件下芯片結(jié)-殼散熱路徑一致，直接壓裝會(huì)使其與硅脂界面的路徑不一致，結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線前段不重合，導(dǎo)致無法準(zhǔn)確測(cè)試熱阻。故傳統(tǒng)雙界面法不適用于雙面散熱汽車IGBT模塊熱測(cè)試，需開發(fā)新的界面材料代替直接壓接，以確保兩個(gè)界面散熱路徑的一致性。

圖1 X模塊與散熱器直接壓裝效果

1.2 雙界面散熱結(jié)構(gòu)測(cè)試法

為解決上述問題，本文創(chuàng)新性地提出雙界面散熱結(jié)構(gòu)的熱測(cè)試方法，對(duì)傳統(tǒng)雙界面法進(jìn)行優(yōu)化，分別采用兩種不同的導(dǎo)熱界面材料A與B對(duì)結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線進(jìn)行分離。雙界面材料雙面耦合熱阻測(cè)試方法如圖2所示，步驟如下。

圖2 雙界面材料雙面耦合熱阻測(cè)試方法

1）模塊的主、次散熱面用導(dǎo)熱界面材料A覆蓋，壓裝在散熱器上，散熱器持續(xù)通水，啟動(dòng)熱阻測(cè)試，得到結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線1-1。

2）模塊的主、次散熱面用導(dǎo)熱界面材料B覆蓋，壓裝在散熱器上，散熱器持續(xù)通水，啟動(dòng)熱阻測(cè)試，得到結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線1-2。

兩條結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線的重合部分即為模塊的雙面結(jié)-殼熱阻。

雙面散熱汽車IGBT產(chǎn)品金屬表面結(jié)構(gòu)僅傳導(dǎo)熱量而不傳導(dǎo)電能，其散熱路徑可理解為兩個(gè)功率與熱阻參數(shù)不同的器件，背靠背地同時(shí)向兩個(gè)面?zhèn)鲗?dǎo)熱量。從文獻(xiàn)[17]中的壓接IGBT模塊串聯(lián)熱阻測(cè)試方法得到啟示，只要設(shè)法實(shí)現(xiàn)雙面散熱汽車產(chǎn)品單面散熱，理論上可分別測(cè)量IGBT模塊主、次兩個(gè)散熱面的結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線。消除雙面導(dǎo)熱耦合效應(yīng)的辦法是實(shí)現(xiàn)熱量單面?zhèn)鲗?dǎo)，雙界面材料單面熱阻測(cè)試方法如圖3所示，具體步驟如下。

1）模塊的主散熱面用絕熱材料覆蓋，次散熱面通過界面材料A壓裝在散熱器上，散熱器持續(xù)通水散熱，測(cè)得次散熱面結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線2-1。

2）模塊的主散熱面用絕熱材料覆蓋，次散熱面通過界面材料B壓裝在散熱器上，散熱器持續(xù)通水散熱，測(cè)得次散熱面結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線2-2。

3）模塊的次散熱面用絕熱材料覆蓋，主散熱面通過界面材料A壓裝在散熱器上，散熱器持續(xù)通水散熱，測(cè)得主散熱面結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線3-1。

圖3 雙界面材料單面熱阻測(cè)試方法

4）模塊的次散熱面用絕熱材料覆蓋，主散熱面通過界面材料B壓裝在散熱器上，散熱器持續(xù)通水散熱，測(cè)得主散熱面結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線3-2。

對(duì)于單面的兩次測(cè)量，因其結(jié)-殼導(dǎo)熱路徑完全一致，僅殼-散熱器熱阻有差別，故兩條結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線在模塊散熱面處分離，重合部分即對(duì)應(yīng)的結(jié)-殼熱阻，通過以上方法即可獲取對(duì)應(yīng)的單面結(jié)-殼熱阻。

1.3 測(cè)試工裝設(shè)計(jì)

從X模塊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與發(fā)熱特性出發(fā)，經(jīng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、仿真分析與優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)高換熱效率散熱器設(shè)計(jì)：在器件最大發(fā)熱功率情況下，上、下散熱面溫差在1℃以內(nèi)，且進(jìn)、出水溫差在2℃以內(nèi)。X模塊熱測(cè)試工裝整體設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 X模塊熱測(cè)試工裝整體設(shè)計(jì)

2 材料選型

2.1 導(dǎo)熱界面材料

按照雙界面材料熱測(cè)試方案，需選定合適的導(dǎo)熱與絕熱材料作為界面，以實(shí)現(xiàn)IGBT模塊的雙面與單面熱阻抗測(cè)試。經(jīng)技術(shù)調(diào)研，綜合考慮各種材料的物理、化學(xué)特性，決定選用散熱石墨膜、導(dǎo)熱硅脂這兩種材料作為X模塊的熱阻測(cè)試導(dǎo)熱界面材料，其特性參數(shù)見表1。

表1 導(dǎo)熱材料特性參數(shù)

采用散熱石墨膜作為第二界面的壓裝效果如圖5所示，與圖1相比，壓力均勻性得到顯著改善。

圖5 X模塊散熱石墨膜界面壓裝效果

2.2 絕熱界面材料

經(jīng)技術(shù)調(diào)研，篩選出柔性氣凝膠、聚氨酯PU膠作為X模塊熱測(cè)試的備選絕熱界面材料，其特性參數(shù)見表2。

表2 絕熱材料特性參數(shù)

為驗(yàn)證兩者的實(shí)際絕熱性能，用兩種材料分別對(duì)次散熱面進(jìn)行隔熱，導(dǎo)熱材料均采用石墨膜，進(jìn)行主散熱面的熱阻對(duì)比測(cè)試，結(jié)果如圖6和圖7所示。圖6中曲線1～4、圖7中曲線1～4依次為聚氨酯PU膠絕熱下的IGBT熱阻與結(jié)溫?cái)?shù)據(jù)、氣凝膠絕熱下的IGBT熱阻與結(jié)溫?cái)?shù)據(jù)、聚氨酯PU膠絕熱下的快速恢復(fù)二極管（fast recovery diode, FRD）熱阻與結(jié)溫?cái)?shù)據(jù)、氣凝膠絕熱下的FRD熱阻與結(jié)溫 數(shù)據(jù)。

雙面散熱器件散熱路徑為并聯(lián)，耦合熱阻計(jì)算公式為

圖7 兩種絕熱材料下X模塊結(jié)溫曲線

式中：1為主散熱面熱阻；2為次散熱面熱阻。當(dāng)次散熱面為絕對(duì)絕熱即2→∞時(shí)，總熱阻tot≈1，在1保持不變的前提下，材料絕熱性能越差，熱阻2越小，總熱阻tot越小。

對(duì)比結(jié)果顯示，聚氨酯PU膠絕熱下測(cè)得的結(jié)環(huán)熱阻值與最高結(jié)溫值均低于氣凝膠，表明相同壓裝力矩下，氣凝膠的絕熱能力優(yōu)于聚氨酯PU膠，故選擇氣凝膠作為熱測(cè)試的絕熱材料。

3 熱測(cè)試與結(jié)果分析

X模塊雙界面散熱結(jié)構(gòu)熱測(cè)試的硬件安裝方式如圖8所示。

3.1 方案設(shè)計(jì)

為研究壓裝力矩對(duì)X模塊結(jié)-殼熱阻的影響程度，設(shè)計(jì)壓裝力對(duì)比測(cè)試條件見表3。

3.2 雙面熱阻測(cè)試

不同壓裝力矩下X模塊IGBT雙面熱阻如圖9所示，圖中從曲線1和曲線2為0.5N·m壓裝力矩下的熱阻數(shù)據(jù)，曲線3和曲線4為1.2N·m壓裝力矩下的熱阻數(shù)據(jù)。

圖8 X模塊熱測(cè)試硬件安裝方式

表3 壓裝力對(duì)比測(cè)試條件

圖9 不同壓裝力矩下X模塊IGBT雙面熱阻

X模塊雙面熱阻測(cè)試結(jié)果見表4。隨著壓裝力矩增大，X模塊IGBT和FRD的器件結(jié)環(huán)熱阻減小，而結(jié)-殼熱阻測(cè)試無明顯變化，表明對(duì)于雙面散熱IGBT模塊，不同的壓裝力矩僅影響器件與散熱器的接觸熱阻，對(duì)其結(jié)-殼熱阻的測(cè)試無影響。

表4 X模塊雙面熱阻測(cè)試結(jié)果

基于以上結(jié)論，后續(xù)測(cè)試壓裝力矩均設(shè)置為條件一。

3.3 熱仿真

X模塊的熱仿真模型如圖10所示。

圖10 X模塊熱仿真模型

按表3條件一設(shè)置邊界條件與隔熱材料，設(shè)置單個(gè)芯片的損耗功率為100W，得到主散熱面仿真結(jié)果如圖11～圖13所示。

圖11 IGBT溫度云圖（雙面散熱）

圖12 IGBT剖面溫度云圖（次散熱面絕熱）

圖13 IGBT剖面溫度云圖（主散熱面絕熱）

按同樣方法對(duì)FRD進(jìn)行仿真，X模塊熱仿真結(jié)果見表5。

表5 X模塊熱仿真結(jié)果

3.4 單面熱阻測(cè)試

按雙界面材料法分別進(jìn)行X模塊的主、次散熱面的單面熱阻測(cè)試，結(jié)果如圖14和圖15所示。

圖14 X模塊上管IGBT單面熱阻測(cè)試結(jié)果

圖15 X模塊上管FRD單面熱阻測(cè)試結(jié)果

X模塊單面熱阻測(cè)試結(jié)果見表6。

表6 X模塊單面熱阻測(cè)試結(jié)果

測(cè)試結(jié)果顯示該方法測(cè)得的上、下管單面熱阻一致性較好。

3.5 差異分析與誤差修正

X模塊熱阻實(shí)測(cè)與仿真結(jié)果對(duì)比見表7。IGBT與FRD的雙面熱阻實(shí)測(cè)值與仿真值偏差均在±5%以內(nèi)，主散熱面熱阻的實(shí)測(cè)值與仿真值偏差均在±10%以內(nèi)，次散熱面熱阻的實(shí)測(cè)值與仿真值偏差較大，約為70%。

表7 X模塊熱阻實(shí)測(cè)與仿真結(jié)果對(duì)比

根據(jù)式（1）計(jì)算的雙面耦合值與實(shí)測(cè)值對(duì)比見表8。表中IGBT的單面實(shí)測(cè)耦合值與雙面實(shí)測(cè)值偏差為-6%左右，F(xiàn)RD的單面實(shí)測(cè)耦合值與雙面實(shí)測(cè)值偏差為-10%左右，兩者偏差較大。

表8 X模塊雙面耦合值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

由于不存在絕對(duì)隔熱材料，雙面散熱模塊的熱耦合效應(yīng)無法完全消除。對(duì)于次散熱面絕熱工況，由于主散熱面熱阻較小，絕大部分熱量流經(jīng)無絕熱材料的主散熱面，形成理想的單面散熱，測(cè)試值偏差較??；對(duì)于主散熱面絕熱工況，由于次散熱面本身熱阻較大，會(huì)有部分熱量流經(jīng)有絕熱材料的主散熱面，耦合效應(yīng)較大，導(dǎo)致測(cè)試值與仿真值的偏差較大。

針對(duì)次散熱面熱測(cè)試中的熱耦合效應(yīng)，修正方法是采用基于主散熱面與雙面的實(shí)測(cè)熱阻反推次散熱面熱阻的方式消除耦合效應(yīng)，修正后的結(jié)果見表9，誤差縮小到25%以內(nèi)。

表9 X模塊次散熱面熱阻修正

3.6 重復(fù)性驗(yàn)證

為驗(yàn)證雙面散熱汽車IGBT模塊熱測(cè)試方法的可重復(fù)性，對(duì)X模塊進(jìn)行重復(fù)壓裝與熱阻測(cè)試，結(jié)果見表10。結(jié)果顯示，五次測(cè)試結(jié)果偏差在±2%以內(nèi)，表明該熱測(cè)試方法具有良好的可重復(fù)性與可推廣性。

表10 X模塊熱阻重復(fù)測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)論

本文基于熱測(cè)試工裝設(shè)計(jì)、界面材料選型與壓裝方式對(duì)比研究，提出了一種適用于雙面散熱汽車IGBT模塊的雙散熱界面材料熱測(cè)試方法，可實(shí)現(xiàn)雙面與單面結(jié)-殼熱阻測(cè)試；對(duì)于雙面散熱汽車IGBT模塊，在一定范圍內(nèi)的不同壓裝力矩對(duì)其結(jié)-殼熱阻的測(cè)試無影響；雙面熱阻測(cè)試方法得到的IGBT與FRD的雙面熱阻實(shí)測(cè)值與仿真值偏差在±5%以內(nèi)，單面熱阻實(shí)測(cè)值與仿真值偏差在±10%以內(nèi)，該方法可準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)雙面散熱汽車IGBT的熱阻測(cè)試，結(jié)果具有參考價(jià)值；雙面散熱模塊的熱耦合效應(yīng)無法完全消除，導(dǎo)致單面熱阻實(shí)測(cè)值與仿真值偏小，可采用根據(jù)主散熱面與雙面實(shí)測(cè)熱阻反推次散熱面熱阻的方式降低耦合效應(yīng)并修正測(cè)試結(jié)果；該熱測(cè)試方法具有良好的可重復(fù)性與可推廣性。

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Study on thermal resistance measurement methodology of double-sided cooling automotive IGBT module

LUO Zhexiong1,2ZHOU Wangjun1,2LU Jinhui1,2DONG Guozhong1,2

(1. Zhuzhou CRRC Times Semiconductor Co., Ltd, Zhuzhou, Hu’nan 412001;2. The State Key Laboratory of Advanced Power Semiconductor Device, Zhuzhou, Hu’nan 412001)

With new packaging structure, the double-sided cooling (DSC) automotive IGBT has two heat dissipation surface, which is different from traditional IGBT module and requires a new way to acquire its thermal resistance. This article develops dual-TIM thermal resistance measurement methodology, including customized test equipment design, ideal TIM selection, pressing force and test method research, successfully achieves single-side thermal resistance measurement of DSC automotive IGBT. The article analyzes the difference between test results and simulation, and delivers correction route. This novel methodology has good repetitive and generality, which provides the reference for thermal resistance measurement of DSC automotive IGBT modules.

double-sided cooling; automotive IGBT; thermal resistance measurement

2022-08-18

2022-08-30

羅哲雄（1991—），男，湖南省株洲市天元區(qū)人，碩士，助理工程師，主要從事功率器件可靠性技術(shù)研究工作。