双面散热IGBT功率器件 | DOH 封装工艺

IGBT全称为绝缘栅双极型晶体管，特点是可以使用电压控制、耐压高、饱和压降小、切换速度快、节能等。功率模块是电动汽车逆变器的核心部件，其封装技术对系统性能和可靠性有着至关重要的影响。

传统的单面冷却功率模块一直是汽车应用中最常见的封装结构之一。传统的IGBT功率模块主要由IGBT芯片，氧化铝覆铜陶瓷基板，封装互连材料，键合线，电连接端子等组成。

图1 传统单面冷却IGBT封装结构

▌行业痛点–散热问题

随着功率电子器件正向高密度化，大功率，小型化发展，大规模运用电子器件给我们的生活带来便利的同时，越来越高功率使得电子器件的散热问题愈发严重。因此散热是一项非常关键的技术，散热性能的好坏直接影响着产品的性能和寿命。

1）在器件封装中，由于封装材料不同，其封装材料的热膨胀系数的差异，导致器件出现不同程度的形变和热应力积累，最终导致如焊线脱离、焊料分层、塑封体开裂分层等失效问题;温度的升高也会降低器件的性能，带来电流的载荷能力和栅压影响等问题。传统单面散热的功率芯片损耗产生的热量通过绝缘基板、底板单方向传导至散热器。这种方式虽然能够解决一定的散热需求，但并不能解决一些大热量的散热需求。采用单面散热方案，传热通道有限，热阻较大，造成芯片与散热面的温差大，在长期使用过程中，芯片容易因温度过高而烧毁。

2）在传统的功率模块封装中，功率半导体器件的顶部仅用于电气连接，而底部通常连接到DBC(直接键合铜)衬底，用于电气连接和传热。由于易于使用和生产成本低，引线键合一直是功率模块封装中使用的互连方法。然而，这种非对称封装结构存在寄生电参数大、热应力作用下模具弯曲等一系列缺陷。虽然引线键合在技术上有一些改进，包括使用Cu或Al带状线键合取代Al，但由于连接点处的热应力较高，连接强度相对较低，引线键合仍然是电源模块可靠性中最薄弱的环节。引键合方法也是寄生损耗的主要来源。更重要的是，线键的存在阻止了功率半导体器件顶部散热的可能性。

▌双面散热–优势&发展

以摆脱作为互连方法的线键合，引入替代互连技术，功率半导体器件通过焊料或烧结直接连接到铜导体上，以便热量可以通过功率半导体器件的两侧消散和传递。由于消除了线键，功率半导体器件顶部的附加路径使两条平行冷却路径成为可能，从而形成双面冷却功率模块，近几年对功率模块双面冷却的研究也越来越多。和单面结构散热结构相比，双面冷却结构在功率芯片的两侧均焊接有绝缘导热基板，功率端子全部与绝缘导热基板相连，绝缘导热基板的外侧安装有散热器。这种设计可以提供更好的传热，并大大降低有效温度。理论上，双面冷却可使装置与冷却剂之间的Rth降低50%。

与单面冷却电源模块相比，双面冷却功率模块的优势包括：

1）改进的热性能将减少功率模块内的温度波动和热应力。2）消除线键也消除了传统电源模块封装中的主要故障模式之一，因此，双面冷却模块的功率循环能力和可靠性已被证明比单面冷却模块提高了一个数级，从而延长了使用寿命。

3）提高了电源模块的电气性能。双面冷却封装需要平面电源封装，从而使电流环路面积最小化。这减少了电寄生电感，优化了更大的键合面积而导致的电阻降低，由于其较低的寄生电感和较高的封装密度，无线键合配置是碳化硅器件的关键。

图2 双面散热IGBT封装结构

双面散热技术现状：

1）日立双面水冷散热结构：

封装结构：

◆芯片：由两组功率元件串联而成，采用二合一半桥封装。考虑到针翅面积大概只有6cm×4cm，在每个组件内留给IGBT和续流二极管的位置只有2cm×4cm，所以怀疑其在混动车型上的应用每个开关只包含一片IGBT和一片续流二极管，而在大功率纯电动车型上每个开关包含2片并联的IGBT和续流二极管。2组单元内的IGBT同向放置。IGBT芯片来源可能是富士，也有可能是日立自己。

◆电气连接：为实现平面封装，芯片两侧都采用常规的锡焊连接，并没有采用最新的纳米银浆烧结工艺，因此后面应对碳化硅的高温应用场景可能会有一定挑战。只有IGBT栅极采用了键合工艺。

◆铜引线框架：日立并没采用常见的陶瓷基板，而是采用了上下两侧较厚的铜引线框架分别连接IGBT正反两面的集电极和发射极，并引出端子。

◆绝缘层：因为没有使用陶瓷基板，日立采用了两侧绝缘层来实现电气绝缘，分别贴在两层铜引线框架外侧。专利中表述这层绝缘层为掺杂有导热填料的环氧树脂，厚度约为120微米。另外日立强调没有采用导热硅脂或者热界面材料（TIM）来减小界面热阻，保证了较高的散热性能。

◆铝金属外壳：这个外壳两侧各有一块带针翅的区域，因此不需要导热硅脂和额外的散热基板的支持，即可直接将IGBT模块放入水冷水道内进行直接的双面水冷散热。铝金属外壳顶部同时还提供了冷却流道密封结构和高压和低压端子接口。在铝金属内侧有一层大约50微米厚的阳极氧化层。这层阳极氧化层有助于和绝缘层相连，并且也是绝缘层，更加增强了封装模块的电绝缘性能。

◆填充料：铜引线框架之间的空隙通过第一次转印模具注塑密封成型；铝金属外壳内的空隙通过第二次转印模具注塑密封成型。

2）电装双面冷功率模块

封装结构：

◆芯片：包含IGBT和续流二极管。

◆垫片：为了平衡IGBT和续流二极管的芯片高低差，IGBT和续流二极管上面各放有一片铜垫片。这个铜垫片在传到电流的时候也为热扩散提供了缓冲。能谱分析表明电装在这里使用了纯铜垫片，而不是通常热膨胀系数和硅更为接近的铜钼合金。

电气连接：为实现平面封装，芯片两侧都采用常规的锡焊连接，但是IGBT栅极采用了铝绑定线和键合工艺。◆铜基板：电装并没采用常见的陶瓷基板，而是采用了上下两侧较厚的铜基板分别连接IGBT正反两面的集电极和发射极，并引出端子。对比陶瓷基板，铜基板无疑在热传导上具有较大的优势。◆填充料：铜基板之间的空隙通过转印模具注塑密封成型。◆绝缘层：因为没有使用陶瓷基板，所以这款功率模块并不绝缘。因此在和散热器组装前，还需要在两侧两层氮化硅绝缘层来实现电气绝缘。

◆导热硅脂：为了减小绝缘层带来的界面热阻，每片绝缘层的两侧都涂上了导热硅脂。在早期设计中，电装使用了多达24片，12层功率模块，为了保证压力均匀分布可以想象导热硅脂的设计厚度不会薄。对于每个功率模块，外侧4层这么厚的导热硅脂实际上在一定程度上抵消了双面冷的带来的低热阻优势。

3）Viper双面水冷散热：

封装结构：

◆芯片：每个模块只包含一组功率元件，包括一片IGBT和一片续流二极管，相当于一合一封装。◆电气连接：为实现平面封装，芯片两侧都采用常规的锡焊连接，包括栅极连接，没有使用任何的绑定线，因此对模块整体的可靠性有较大提升。◆陶瓷基板：德尔福使用了相对少见的铝基氮化铝陶瓷基板。上层基板三层厚度为外层铝 200微米，中间氮化铝700微米，内层铝350微米；下层基板三层厚度为外层铝 200微米，中间氮化铝700微米，内层铝270微米。◆填充料：铝基氮化铝陶瓷基板之间的空隙通过转印模具注塑密封成型。

◆导热硅脂：因为这款模块为间接水冷，因此需要模块两侧和散热器之间使用导热硅脂来减少界面热阻。

4）双面水冷散热结构：

封装结构：

◆芯片：包含两组功率元件，每组包括一片IGBT和一片续流二极管，相当于二合一半桥封装。两组功率元件同向放置。◆垫片：为了平衡IGBT和续流二极管的芯片高低差，IGBT和续流二极管上面各放有一片垫片。这个垫片在传导电流的时候也为热扩散提供了缓冲。垫片材质并没有选用常见的铜钼合金，而是采用的铝碳化硅，适度牺牲导热性但是更多兼顾了热膨胀系数。◆电气连接：为实现平面封装，芯片两侧及垫片上侧都采用常规的锡焊连接，而且IGBT栅极采用了铝绑定线和键合工艺，并没有使用最新的纳米银烧结工艺。

◆铜基板：采用常见的铜基氧化铝陶瓷基板，性价比至上，而且相比电装的双面冷却封装，铜基氧化铝陶瓷基板自带绝缘功能，使得模块自身绝缘，也取消了绝缘层的需要。

◆填充料：铜基氧化铝陶瓷基板之间的空隙通过转印模具注塑密封成型。

来源/作者：洞察3C前沿

DOH：Direct on Heatsink,热沉。

助力提升TEC、MOSFET、IPM、IGBT等功率器件性能提升，解决孔洞和裂纹问题提升产品良率及使用寿命。

为综合评估SiC功率模块的液冷冷板散热效果，设计了串联、并联与串并联三种冷板流道结构， 从器件温升、系统能效、散热性能三个方面共计10项指标评估了冷板性能，基于ICEPAK仿真分析了液冷 系统流场与温度场的稳态分布特征，从节能角度给出了液冷散热方案的工程应用选择与优化建议。研究结果表明，冷板内部串联流道设计的温升与散热性能指标更优，但其能效表现系数仅为并联设计的 1/5，散 热表现的提升以增加冷板内部压力损失为代价，降低了其能效表现；冷却液流量提高3倍而冷板的能效表现系数下降约24倍，提高冷却液流量并非改善散热的首选。实际工程应用中，在器件的温升允许范围内， 应优先选择冷板内部的并联流道设计与多冷板间并联的散热方案，以提高散热系统的节能性。

0 引言

SiC MOSFET与传统的硅基相比具有更高的电子迁移率、更高的开关速度以及更宽的带隙， 使其在高温、高频及高功率方面具备更好的应用前景。然而，随着其芯片尺寸的小型化以及更 高电压和电流带来的功率密度的提升，产生了更 高的热通量，因而带来了对低成本、轻量化以及 更高效的散热解决方案的需求。

功率模块的热性能表现直接关系到其工作的可 靠性和使用寿命，功率器件的散热方式主要包括空 冷、液冷、相变冷却等，其中液冷散热是应用最广泛、技术最成熟的一种方式。目前，对于液冷冷 板的研究主要集中在流道设计与优化方面。张嘉伟、 宋全刚等分别使用了内部为柱状翅片结构的流道设计和并联的多管流道设计，以热阻和冷板压力损 失为设计目标，基于响应面方法的优化设计来寻找 最优的结构参数。傅航杰等在传统蛇形槽道流道 基础上，采用水滴扰流翅柱流道方案进行散热强化， 并对比分析了两种流道结构下的器件温升与冷板压 力损失。何海斌等使用矩形翅片的U型水道结构， 基于回归分析法，同样以温升与冷板压降为设计目 标，给出了翅片的结构优化设计。杨刚等设计了 一种串并联流道冷板，以冷板压力损失、器件温升、 温度分布标准差、换热系数为评价指标，从冷板的 流动与换热特性两个方面评价了冷板的散热表现。段会强等设计了一款热管嵌入式水冷散热器，同时分析了圆柱翅片与矩形翅片结构的散热作用。

综上所述，目前对于冷板性能的评价指标多 集中于热阻、压力损失以及器件的温升或温度分 布方面，而关于冷板的节能效果评价则较少。本 文在传统电子器件散热评价指标的基础上，通过 计算泵功率重点探讨了不同冷板设计下的能效表 现系数，以节能性为评价核心，从节能角度给出 了冷板流道的优化建议，并结合工程实际应用给 出了多冷板散热系统的选择方案。

1 液冷散热系统设计

以某电机控制器的半桥SiC MOSFET功率模 块为研究对象，其结构示意图与实物图如图 1 所 示。功率模块由多层结构构成，芯片部分为 MOSFET 或肖特基二极管（SBD），此处因功率 损耗而产生的热量由芯片焊层、绝缘基板、基板 焊层、底板、粘接层、水冷板依次传递至冷却液，利用冷却液的流动将热量带走，从而实现散 热。其中，芯片为碳化硅；绝缘基板的上下层为铜，中间层为氮化铝；底板为铜；粘接层为导热 硅脂；水冷板为铝合金；冷板内部的冷却液为体 积分数25%的乙二醇水溶液。

利用器件厂商提供的ROHM Solution Simula‐ tor 计算出额定工况下（电压 800 V，输出电流 100 A，开关频率 60 kHz）的单个 MOSFET 的损 耗为 51. 5 W，单个 SBD 的损耗为 3. 9 W，功率 模块中共计16个MOSFET与16个SBD，因此总 损耗为 886. 4 W。实际应用中将 6 个功率模块并 联构成电机控制器的一相，因此单个冷板所承载 的功耗为 5 318. 4 W。设散热系统的工作环境温 度为 35 ℃，冷却液在冷板出入口的温差控制在 10 ℃以内，由式（1）可计算出此温差条件下所需 的冷却液流量为8. 2 L/min。

式中：Vf为体积流量，m3 /s；Pd为总功耗，W；ρ 为冷却液密度，kg/m3 ；cp 为冷却液比热容，J/（kg·K）；tfout为冷却液的出口温度，℃；tfin为冷 却液的入口温度，℃。基于功率模块中的芯片分布情况，设计了 3 种水冷板流道结构，如图 2 所示。冷板尺寸为 498 mm×150 mm×20 mm，考虑到功率模块在 冷板上的固定，将冷板的入口与出口流道放置于 冷板的两侧位置以避开功率模块的固定螺孔，图 中左侧为入口，右侧为出口，出入口的尺寸为 14 mm×14 mm。流道的主体由3段平行的流道组 成，流道宽度为26 mm，高度为5 mm，为了增加 冷却液的对流换热面积，3 段主体流道内增加了 5 行翅片，翅片厚度与翅片间距均为 2 mm。3 段 流道经串联（见图2（a））、并联（见图2（b））和串并 联（见图 2（c））后，构成了 3种流道结构，图 2（d） 为内部细节示意图。

2 散热表现评价

为评估上述 3 种冷板结构的散热效果，从器 件温升、系统能效、散热性能三方面共计10项指 标来完成统计分析。

2.1 器件温升指标分析

分别统计 6 个功率模块中 MOSFET 与 SBD 的最高结温（tjmax，℃）与最低结温（tjmin，℃），以评 估器件的温升上限；进一步分析功率模块中的温 差（tjmax－tjmin，℃），用以评估功率模块中的温度分 布 特 性 ， 同 时 计 算 功 率 模 块 中 的 器 件 均 温 （tave，℃），由公式（2）给出温度的标准差，用于评 估温度分布的均匀性。

式中：σ为温度标准差，℃；n为数量；下标j表示结。

2.2 系统能效指标分析

基于流场计算结果可以给出冷板流道出入口 之间的压力损失为 Δptotal，进而可由式（3）计算出维持冷板入口流量所需的泵功率 Ppump，该功率仅 为冷板入口的泵功率，并非实际使用的水泵功 率。由于热设计过程中，对于节能的考虑同样十 分重要，因此，将上述泵功率代入式（4）可计算 出散热系统的能效表现系数（CP），该值越大表明 散热系统在满足散热需求的同时只需更低的水泵 功率，其节能效果越好。

2.3 散热性能指标分析

热阻是用于评价散热性能的一项重要参数， 式（5）为假设一维、稳态传热条件下的热阻计算方法

式中：Rth为热阻，℃/W；Δt 为基于参考温度的 温升，℃；l 为沿传热方向的材料厚度，m；k 为 导热系数，W/（m·℃）；A 为导热面积，m2。因 此，采用基于温升的计算方法，从冷板表面至冷 却液间的热阻为

式中：Rsf为冷板热阻，℃/W；tsmax为冷板表面温 度峰值，℃。将整块冷板等效为一个换热器，则 由式（7）~式（9）可计算出冷板的换热效率为

式中：Qact为冷板实际换热功率，W；Qmax为冷板 理想条件下的最大换热功率，W；ε为换热效率。

3 数值模拟与仿真分析

采用 ANSYS-ICEPAK 完成液冷散热系统的 流固耦合仿真。仿真设置：1）忽略热辐射与自 然对流，仅考虑散热系统内部的热传导与热对流 过程；2）流动与传热由连续性、动量和能量方 程描述；3）采用 FLUENT 求解器和 SIMPLE 算 法，流动与湍流选择一阶迎风格式，冷却液为不 可压缩流；4）除芯片外，忽略温度对其它材料 物性参数的影响，导热硅脂与冷却液的导热系数 分别为 3 W/（m·℃）和 0. 505 W/（m·℃），其余材料由软件材料库提供；5）在考虑出入口的冷却液温差为10 ℃的情况下，循环流入冷板的冷却液温度为 45 ℃，流道内的雷诺数经软件计算为 9 772，因此需要考虑湍流，湍流模型选择标准的 k-ε两方程模型，流道入口为流量边界，流道出口为压力出口边界；6）为提高迭代计算的稳定性，设定动量项的松弛因子为0. 6，残差设置能量项为10-7，其余为10-3，迭代步数设置为1200步。

计算域内的网格采用 ICEPAK 提供的六面体占优网格，通过控制并调整 3 个方向的网格最大尺寸，对 3 种不同网格数（1 012 726，1 196 222， 1 564 758）进行了网格无关性验证，以流道 A 设计下的MOSFET器件最高结温为对比参数，3种网 格 尺 寸 下 的 结 温 分 别 为 110. 8， 109. 9 和 110. 1 ℃，误差在1%以内，因此，后续仿真均采用上述中等数量的网格划分。

针对湍流模型的选择，对比分析了 5 种不同湍流模型的计算结果，冷板采用流道 A设计，计算获得的MOSFET器件最高结温数据见表 1。计算结果表明，不同湍流模型下的结温变化较小，误差在 1%以内，因此，本文后续的仿真计算种均采用常用的标准k-ε模型。

将功率模块沿流道入口向出口方向依次编号 为1号至6号模块，图 3 为3种冷板的功率模块温度云图，图中左侧流道口为入口。计算结果表 明，由于 MOSFET 的功耗较高，因此，高温区域主要集中在 MOSFET 芯片所在的位置，其中 流道 A 和 B 的温度峰值均位于 6 号功率模块内， 6 个功率模块依次排列呈温度递增的分布趋势， 温度峰值分别为109. 9 ℃与115. 8 ℃。流道C的整体温度分布规律与前两种不同，其温度峰值位于 1号功率模块内，温度峰值为 111. 2 ℃，6个功率 模块的温度峰值依次呈高－低－高－低的交错分布特征，该现象是由冷板中部增加了两列并联支 路所造成的。图 4 为 6 个功率模块的铜底板外表 面的平均温度分布曲线，其中流道 A 和 C 的均温分布规律较为接近，1号至5号模块的底板均温变 化较小，靠近出口的 6 号模块均温略高。流道 B 的温度分布呈单向递增变化，1号模块均温最低， 为70. 4 ℃，6号模块均温最高，为79 ℃。

表 2 和表 3 分别为 MOSFET 和 SBD 的温升指标数据。计算结果表明，流道 A的温度峰值最低，温差最小，温度的标准差也最小，而流道 C 的温升指标次之 ， 流道 B 的各项指标中除 MOSFET的器件温差指标略好于流道C外，其余 指标均表现最差。流道A与B相比，MOSFET与 SBD 的结温峰值分别下降了 5. 1% 和 5. 4%，温度标准差分别下降了11. 4%和14. 9%，仅从温升指标对比分析，串联流道设计在温升抑制与芯片温度分布的一致性方面表现最好。

表 4 为冷板的能效与散热性能的指标数据。计算结果表明，虽然流道A的冷板热阻最小，换热效率最高，但其压力损失达到 30. 5 kPa，因而其需要更大的泵功率。进一步分析表明，较好的散热性能指标建立在更大的压力损失基础上，即提高了泵功率而降低了其能效指标，这样散热系统的成本也会随之增加。流道 B 的能效表现系数为 6407，是流道 A 的 5 倍，从节能的角度考虑， 采用并联结构的流道设计，能效表现远超另两种流道结构。

4 工程应用分析

某实际电机控制器的三相系统共需要18个功率模块，其中 6 个模块并联控制一相，因此，将相同的 3 块水冷板进行并联或串联，从而形成该电机控制器的最终液冷散热方案。如果采用冷板间并联，进出口冷却液温差要求不变，仍为 10 ℃，冷却液总流量为3块冷板之和24. 6 L/min， 并联散热方案的冷板散热效果可使用第 3 节仿真获得的各项指标数据；如果采用冷板间串联，则单个冷板的进出口温差限定在3. 33 ℃，因而计算获得的冷却液流量需求也为 24. 6 L/min，3 块冷 板的入口温度分别为 45，48. 33 和 51. 66 ℃。使用上述参数进一步开展多冷板串联方案下的散热性能评价，并与冷板并联方案形成对比。

表 5 为 3 块冷板串联后的关键能效与散热性能指标数据，图 5 为3块冷板串联后的MOSFET 结温峰值分布曲线。

表 5 和图 5 的计算结果表明：串联后的每块冷板的压力损失以及计算获得的能效表现系数与换热效率是相同的，冷却液的入口温度仅影响温升指标，与能效及散热性能指标无关。串联冷板按照冷却液流入的先后顺序编号为1~3号，其器件结温峰值按编号依次升高 ， 3 号冷板的 MOSFET 结温峰值在 3 种流道结构下分别为105. 7，109. 6 和 107. 0 ℃，与冷板并联方案相比分别下降了 3. 8%，5. 4% 和 3. 8%，温升指标略有提升，但能效与散热性能出现了大幅的下降， CP下降约24倍左右，ε下降约43. 7%~46. 8%。

5 结论

本文通过对温升、能效与散热性能的多指标评估，综合分析了3种冷板流道结构下的散热效果， 并结合工程应用，重点考察了冷板的节能表现，给出了实际应用中的液冷散热系统方案选择与优化建议，在本文计算条件下的主要结论如下：

1）冷板内部串联流道设计的温升抑制与散热性能最佳，但其能效表现较差；并联流道设计可大幅降低冷却液的压力损失，其能效表现系数是串联流道设计的 5 倍。因此，热设计时，在器件温升的允许范围内，可优先考虑并联流道设计。

2）冷却液的入口温度仅影响冷板的温升指标，与能效、散热性能指标无关，因此，在器件温升的允许范围内，可考虑适当增加冷板进出口的冷却液温差，从而进一步提高液冷散热系统的能效与散热性能。

3）冷却液的流量影响全部的温升、能效、散热性能指标，流量提高3倍，器件结温峰值可下降约 3. 8%~5. 4%，但冷板的COP下降约24倍左右， 从节能与经济性方面考虑，提高流量并非改善散热性能的首选，应寻求在最小流量条件下，通过优化冷板内部结构设计来适当增加换热面积，或使用更高热导率的材料及冷却液的方法。

4）工程应用中的多冷板散热系统，应首选冷板间的并联方案，与串联方案相比，虽然有少量的器件温升提高，但其节能效果更符合实际工业需求。

以上资料来源：中北大学学报(自然科学版)，作者：巩 飞，郭鸿浩