深度解讀IGBT 雙面冷卻散熱優(yōu)勢(shì)

什么是IGBT?

IGBT全稱為絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor），是由BJT(Bipolar Junction Transistor雙極結(jié)型晶體三極管)和MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管，也稱金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型-電壓驅(qū)動(dòng)式-功率半導(dǎo)體器件，其具有自關(guān)斷的特征。特點(diǎn)是可以使用電壓控制，耐壓高，飽和壓降小，切換速度快，節(jié)能等特點(diǎn)。

IGBT封裝結(jié)構(gòu)

IGBT的封裝結(jié)構(gòu)主要由IGBT芯片，DBC導(dǎo)熱基板，封裝材料，電連接端子等組成，芯片主要為Si，SiC，GaN等，DBC覆銅陶瓷導(dǎo)熱基板的陶瓷材料主要有Si3N4，AL2O3，ALN等。

IGBT應(yīng)用領(lǐng)域

從功能上來(lái)說(shuō)，IGBT是一個(gè)可以使用計(jì)算機(jī)控制的電路開(kāi)關(guān)，被廣泛運(yùn)用在了高鐵、軌道交通、智能電網(wǎng)、航空航天、電動(dòng)汽車與新能源裝備等領(lǐng)域應(yīng)用極廣。

散熱問(wèn)題影響產(chǎn)品性能

隨著功率電子器件正向高密度化，大功率，小型化發(fā)展，大規(guī)模運(yùn)用電子器件給我們的生活帶來(lái)便利的同時(shí)，越來(lái)越高功率使得電子器件的散熱問(wèn)題愈發(fā)嚴(yán)重。因此散熱是一項(xiàng)非常關(guān)鍵的技術(shù)，散熱性能的好壞直接影響著產(chǎn)品的性能和壽命。

傳統(tǒng)單面冷卻散熱不足

傳統(tǒng)的功率模塊采用單面冷卻結(jié)構(gòu)，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(guò)絕緣基板、底板單方向傳導(dǎo)至散熱器。

這種方式雖然能夠解決一定的散熱需求，但并不能解決一些大熱量的散熱需求。因采用單面散熱方案，傳熱通道有限，熱阻較大，造成芯片與散熱面的溫差大，在長(zhǎng)期使用過(guò)程中，芯片容易因溫度過(guò)高而燒毀。

雙面冷卻散熱優(yōu)勢(shì)

一些小尺寸高功率的部件不能使用傳統(tǒng)的單面冷卻結(jié)構(gòu)滿足其散熱需求，近幾年對(duì)功率模塊雙面冷卻結(jié)構(gòu)的研究也越來(lái)越多。和單面結(jié)構(gòu)散熱結(jié)構(gòu)相比，雙面冷卻結(jié)構(gòu)在功率芯片的兩側(cè)均焊接有絕緣導(dǎo)熱基板，功率端子全部與絕緣導(dǎo)熱基板相連，絕緣導(dǎo)熱基板的外側(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，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。

疊層雙面冷卻散熱

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)到增強(qiáng)散熱的目的，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)。為了盡量減小換流回路的面積，通過(guò)將上端芯片與下端芯片疊層設(shè)置，充分減小換流回路的路徑及面積，從而在增強(qiáng)冷卻性能的同時(shí)，減小散熱結(jié)構(gòu)體積。

雙面冷卻散熱結(jié)構(gòu)的體積縮小，冷卻性能增強(qiáng)，結(jié)構(gòu)體積較傳統(tǒng)減小約90%，熱阻降低約50%。同時(shí)匹配雙面冷卻封裝形式可大幅度降低功率電子器件的工作結(jié)溫，從而提高功率器件的功率輸出和使用壽命。因此，雙面冷卻技術(shù)可推動(dòng)功率電子模塊向集成度更高，封裝體積更小以及功率密度更大的方向發(fā)展。

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