IGBT模块的散热设计问题结构方式

时间： 2024-12-02 来源：大图热控官网

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摘要：总结IGBT模块的热特性和热设计，说明IGBT模块的热阻网络模块和与封装材料的热性能和尺寸的关系，从芯片和模块封装材料、结构等方面讨论模块的热设计要点，阐述传统IGBT模块的热压模块。

IGBT模块概念

大功率半导体设备是实现能源生产、传输、转换和控制的单元，是电力电子系统的最核心部件，大大决定了电力系统的性能、效率、可靠性、成本、体积和重量。

IGBT模块结构

为了满足大功率系统的需求，一般将 IGBT 和 FWD 芯片并联封装成 IGBT 模块结构。IGBT 模块除实现芯片之间的电学互连、动单元及外部主电路的连接之外，还起到支撑、保护、散热等作用。

IGBT模块散热设计的意义

IGBT等功率半导体部件不是理想的开关部件，在导通状态下，芯片本身有一定的阻力，产生通态损失的开关过程中，由于时间延迟，电压和电流的重叠产生了开关损失。功率损失导致芯片结温(Tj)上升，超过允许的最高结温(Tjmax)时发生热故障。因此，必须降低高Tj对芯片的损害，必须迅速高效地发出损失产生的热量，提高芯片的可靠性和寿命。

IGBT模块的封装技术对行业和用户具有至关重要的意义，IGBT模块的设计、制造、测试和可靠性一直是电力半导体开发的重点课题之一。

IGBT模块的热设计通过结构、材料和包装技术等设计，将芯片降低到外壳(基板)的热阻(Rthtj-c)和热时间常数(tu)，实现快速高效的设备产生的热量传播到外壳。另外，在实际应用中，还需要通过系统的热管理技术，有效地将到达模块壳体的热流传播到外部散热器或冷却系统中。

IGBT模块的结构剖面
传统IGBT模块的结构剖面图如图1所示，通过陶瓷衬板实现芯片与外部的绝缘，基板起到散热、支撑和与外部散热器接触的作用，通过铝引线键合、焊接层实现电学的连接和连接。

IGBT模块结构的热设计方案。

直接水冷散热结构。

水冷散热通过相变材料的物质状态改变吸收热量，如液体蒸发成气体的过程。热管或蒸汽腔室就是利用液体相变过程实现散热的结构，具有较高的散热效率，在功率半导体器件和系统的热管理中已经应用。但该结构一般作为外部散热设计，应用于功率模块之外。将热管或蒸汽室结构集成到模块封装中，实现高效散热和紧凑封装。

IGBT模块的热性能和热稳定性是模块设计、表现和应用评价的重要方面。实现快速高效冷却芯片是包装和应用设计的关键，大大提高IGBT模块的性能，降低芯片的温度和功率损失，提高稳定性和可靠性。特别是随着IGBT模块功率密度的增加，应用环境的恶劣、可靠性和使用寿命的要求提高，IGBT模块的热设计和热管理技术是新产品设计和应用的最重要环节。

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