雙面散熱汽車IGBT模塊熱測試方法研究

羅哲雄 周望君 陸金輝 董國忠

雙面散熱汽車IGBT模塊熱測試方法研究

羅哲雄1,2周望君1,2陸金輝1,2董國忠1,2

（1. 株洲中車時代半導體有限公司，湖南 株洲 412001； 2. 新型功率半導體器件國家重點實驗室，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模塊同時向正、反兩面?zhèn)鲗崃浚錈釡y試評估方式需重新考量。本文進行雙面散熱汽車IGBT模塊熱測試工裝開發(fā)與熱界面材料選型，同時對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構熱測試方法，可實現(xiàn)單面熱阻測試，對比單面與雙面熱阻值、實測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。測試結果表明，該方法具有良好的可重復性與可推廣性，可為雙面散熱汽車IGBT模塊的熱測試提供參考。

雙面散熱；汽車IGBT；熱阻測試

0 引言

近年來，全球溫室效應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用的瓶頸問題，亟需先進的封裝結構和封裝工藝，降低功率模塊的熱阻[2-4]。相對于傳統(tǒng)單面散熱（single-sided cooling, SSC）功率模塊，雙面散熱（double-sided cooling, DSC）功率模塊具有更強的散熱能力和更低的寄生參數(shù)。為了進一步提高車用電機控制器的效率、功率密度和可靠性，雙面散熱功率模塊在電動汽車中的應用得到了越來越多的關注[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用，市場對雙面散熱IGBT模塊的需求急劇增加。

相對于傳統(tǒng)單面散熱功率模塊，雙面散熱功率模塊采用先進的三維封裝結構[7-9]。雙面散熱IGBT功率模塊具有多個傳熱通道，現(xiàn)有熱阻測試方法仍然沿用單通道傳熱的熱阻測試方法[10-15]。與傳統(tǒng)單面散熱IGBT模塊不同，雙面散熱汽車IGBT模塊同時向正、反兩面?zhèn)鲗崃浚渖岱绞脚c壓接式IGBT模塊類似，但由于封裝結構不同，其內(nèi)部散熱路徑與熱阻會有較大差別，評估方式需重新考量。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，國內(nèi)外關于雙面散熱汽車產(chǎn)品熱測試的可參考文獻較少。

本文重點研究雙面散熱汽車IGBT模塊熱測試方法。首先提出一種新的雙界面熱測試思路，然后基于一款雙面散熱汽車X模塊的封裝結構設計開發(fā)熱測試工裝，并完成熱界面材料的調研與選型，同時對模塊不同壓裝方式進行對比研究，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試方法，并成功實現(xiàn)X模塊的雙面與單面熱阻測試，最后對比單面與雙面熱阻值、實測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 熱測試方案

1.1 傳統(tǒng)方法與主要問題

IGBT的結溫測試方法主要有熱敏參數(shù)法、有限元仿真法、傳感標定法、紅外掃描法等[16]，傳統(tǒng)的IGBT模塊結-殼熱阻測試采用JESD 51—14標準規(guī)定的雙界面法，分別測量有導熱脂、無導熱脂兩個界面下的溫度曲線，轉換成對應的結構函數(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-殼瞬態(tài)熱阻抗曲線。

雙面散熱IGBT模塊的結構特點決定其對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導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。雙界面法測試的前提是保證兩個界面條件下芯片結-殼散熱路徑一致，直接壓裝會使其與硅脂界面的路徑不一致，結構函數(shù)曲線前段不重合，導致無法準確測試熱阻。故傳統(tǒng)雙界面法不適用于雙面散熱汽車IGBT模塊熱測試，需開發(fā)新的界面材料代替直接壓接，以確保兩個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 雙界面散熱結構測試法

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

圖2 雙界面材料雙面耦合熱阻測試方法

1）模塊的主、次散熱面用導熱界面材料A覆蓋，壓裝在散熱器上，散熱器持續(xù)通水，啟動熱阻測試，得到結構函數(shù)曲線1-1。

2）模塊的主、次散熱面用導熱界面材料B覆蓋，壓裝在散熱器上，散熱器持續(xù)通水，啟動熱阻測試，得到結構函數(shù)曲線1-2。

兩條結構函數(shù)曲線的重合部分即為模塊的雙面結-殼熱阻。

雙面散熱汽車IGBT產(chǎn)品金屬表面結構僅傳導熱量而不傳導電能，其散熱路徑可理解為兩個功率與熱阻參數(shù)不同的器件，背靠背地同時向兩個面?zhèn)鲗崃俊奈墨I[17]中的壓接IGBT模塊串聯(lián)熱阻測試方法得到啟示，只要設法實現(xiàn)雙面散熱汽車產(chǎn)品單面散熱，理論上可分別測量IGBT模塊主、次兩個散熱面的結構函數(shù)曲線。消除雙面導熱耦合效應的辦法是實現(xiàn)熱量單面?zhèn)鲗Вp界面材料單面熱阻測試方法如圖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，測得次散熱面結構函數(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，測得次散熱面結構函數(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，測得主散熱面結構函數(shù)曲線3-1。

圖3 雙界面材料單面熱阻測試方法

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，測得主散熱面結構函數(shù)曲線3-2。

對于單面的兩次測量，因其結-殼導熱路徑完全一致，僅殼-散熱器熱阻有差別，故兩條結構函數(shù)曲線在模塊散熱面處分離，重合部分即對應的結-殼熱阻，通過以上方法即可獲取對應的單面結-殼熱阻。

1.3 測試工裝設計

從X模塊的結構特點與發(fā)熱特性出發(fā)，經(jīng)結構設計、仿真分析與優(yōu)化，實現(xiàn)高換熱效率散熱器設計：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、出水溫差在2℃以內(nèi)。X模塊熱測試工裝整體設計如圖4所示。

圖4 X模塊熱測試工裝整體設計

2 材料選型

2.1 導熱界面材料

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

表1 導熱材料特性參數(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)技術調研，篩選出柔性氣凝膠、聚氨酯PU膠作為X模塊熱測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)

為驗證兩者的實際絕熱性能，用兩種材料分別對次散熱面進行隔熱，導熱材料均采用石墨膜，進行主散熱面的熱阻對比測試，結果如圖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熱阻與結溫數(shù)據(jù)、氣凝膠絕熱下的IGBT熱阻與結溫數(shù)據(jù)、聚氨酯PU膠絕熱下的快速恢復二極管（fast recovery diode, FRD）熱阻與結溫數(shù)據(jù)、氣凝膠絕熱下的FRD熱阻與結溫 數(shù)據(jù)。

雙面散熱器件散熱路徑為并聯(lián)，耦合熱阻計算公式為

圖7 兩種絕熱材料下X模塊結溫曲線

式中：1為主散熱面熱阻；2為次散熱面熱阻。當次散熱面為絕對絕熱即2→∞時，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。

對比結果顯示，聚氨酯PU膠絕熱下測得的結環(huán)熱阻值與最高結溫值均低于氣凝膠，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試的絕熱材料。

3 熱測試與結果分析

X模塊雙界面散熱結構熱測試的硬件安裝方式如圖8所示。

3.1 方案設計

為研究壓裝力矩對X模塊結-殼熱阻的影響程度，設計壓裝力對比測試條件見表3。

3.2 雙面熱阻測試

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模塊熱測試硬件安裝方式

表3 壓裝力對比測試條件

圖9 不同壓裝力矩下X模塊IGBT雙面熱阻

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

表4 X模塊雙面熱阻測試結果

基于以上結論，后續(xù)測試壓裝力矩均設置為條件一。

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條件一設置邊界條件與隔熱材料，設置單個芯片的損耗功率為100W，得到主散熱面仿真結果如圖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FRD進行仿真，X模塊熱仿真結果見表5。

表5 X模塊熱仿真結果

3.4 單面熱阻測試

按雙界面材料法分別進行X模塊的主、次散熱面的單面熱阻測試，結果如圖14和圖15所示。

圖14 X模塊上管IGBT單面熱阻測試結果

圖15 X模塊上管FRD單面熱阻測試結果

X模塊單面熱阻測試結果見表6。

表6 X模塊單面熱阻測試結果

測試結果顯示該方法測得的上、下管單面熱阻一致性較好。

3.5 差異分析與誤差修正

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

表7 X模塊熱阻實測與仿真結果對比

根據(jù)式（1）計算的雙面耦合值與實測值對比見表8。表中IGBT的單面實測耦合值與雙面實測值偏差為-6%左右，F(xiàn)RD的單面實測耦合值與雙面實測值偏差為-10%左右，兩者偏差較大。

表8 X模塊雙面耦合值與實測值對比

由于不存在絕對隔熱材料，雙面散熱模塊的熱耦合效應無法完全消除。對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，測試值偏差較小；對于主散熱面絕熱工況，由于次散熱面本身熱阻較大，會有部分熱量流經(jīng)有絕熱材料的主散熱面，耦合效應較大，導致測試值與仿真值的偏差較大。

針對次散熱面熱測試中的熱耦合效應，修正方法是采用基于主散熱面與雙面的實測熱阻反推次散熱面熱阻的方式消除耦合效應，修正后的結果見表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 重復性驗證

為驗證雙面散熱汽車IGBT模塊熱測試方法的可重復性，對X模塊進行重復壓裝與熱阻測試，結果見表10。結果顯示，五次測試結果偏差在±2%以內(nèi)，表明該熱測試方法具有良好的可重復性與可推廣性。

表10 X模塊熱阻重復測試結果

4 結論

本文基于熱測試工裝設計、界面材料選型與壓裝方式對比研究，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試方法，可實現(xiàn)雙面與單面結-殼熱阻測試；對于雙面散熱汽車IGBT模塊，在一定范圍內(nèi)的不同壓裝力矩對其結-殼熱阻的測試無影響；雙面熱阻測試方法得到的IGBT與FRD的雙面熱阻實測值與仿真值偏差在±5%以內(nèi)，單面熱阻實測值與仿真值偏差在±10%以內(nèi)，該方法可準確實現(xiàn)雙面散熱汽車IGBT的熱阻測試，結果具有參考價值；雙面散熱模塊的熱耦合效應無法完全消除，導致單面熱阻實測值與仿真值偏小，可采用根據(jù)主散熱面與雙面實測熱阻反推次散熱面熱阻的方式降低耦合效應并修正測試結果；該熱測試方法具有良好的可重復性與可推廣性。

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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研究工作。