直接冷卻IGBT功率模塊散熱性能研究

孫 微，劉 鈞，蘇 偉，邰 翔

(1．中國科學(xué)院電工研究所，北京100190;2．中國科學(xué)院電力電子與電氣驅(qū)動重點實驗室(電工研究所)，北京100190;3．電驅(qū)動系統(tǒng)大功率電力電子器件封裝技術(shù)北京市工程實驗室，北京100190)

直接冷卻IGBT功率模塊散熱性能研究

孫 微1，2，3，劉 鈞1，2，3，蘇 偉1，2，3，邰 翔1，2，3

(1．中國科學(xué)院電工研究所，北京100190;2．中國科學(xué)院電力電子與電氣驅(qū)動重點實驗室(電工研究所)，北京100190;3．電驅(qū)動系統(tǒng)大功率電力電子器件封裝技術(shù)北京市工程實驗室，北京100190)

電力電子設(shè)備元器件的溫度是影響電力電子設(shè)備性能和可靠性的關(guān)鍵因素之一。在IGBT功率模塊散熱方面，目前的研究熱點之一是在模塊的設(shè)計階段應(yīng)用直接冷卻技術(shù)，將散熱鰭片集成在功率模塊的銅基板上。這種結(jié)構(gòu)使IGBT模塊在安裝固定時不再需要通過導(dǎo)熱界面材料來連接模塊銅基板和支撐底板，因而使模塊的總熱阻大大降低。本文對自主研發(fā)的二合一直接冷卻IGBT功率模塊進行了仿真試驗研究，并對比了傳統(tǒng)間接冷卻模塊的散熱性能，試驗結(jié)果表明直接冷卻模塊的熱阻最高降低了33%，而且溫度場分布也更加均勻。仿真結(jié)果與試驗結(jié)果一致，證明了仿真模型的準確性。

功率模塊;直接冷卻;溫度場;熱阻

1 引言

散熱是影響電力電子設(shè)備可靠性的重要因素之一，一般電力電子設(shè)備元器件的工作溫度如果超過一定的限制范圍，元器件的性能將顯著下降，并且不能穩(wěn)定工作，因而影響系統(tǒng)運行的可靠性。據(jù)國內(nèi)外學(xué)者的研究，元器件失效率與其結(jié)溫成指數(shù)關(guān)系［1］，其性能隨結(jié)溫升高而降低。也有研究認為，器件工作溫度每升高10℃失效率增加1倍［2］。此外，過熱引起的“電子遷移”現(xiàn)象［3］會對芯片造成不可逆的永久性損傷，影響芯片壽命。因此，電力電子設(shè)備的散熱技術(shù)越來越受到關(guān)注，尤其是大功率應(yīng)用領(lǐng)域，其散熱問題成為技術(shù)人員急于解決的問題。

在IGBT功率模塊散熱方面，一個重要解決方法就是從降低模塊熱阻方面來著手降低芯片結(jié)溫。目前研究熱點之一是采用直接冷卻技術(shù)進行功率模塊的散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計，即:模塊銅基板與散熱鰭片一體成型，冷卻液直接與IGBT模塊銅基板的底面接觸。這種pin-fin結(jié)構(gòu)使IGBT模塊在安裝固定時不再需要通過導(dǎo)熱界面材料(Thermal Interface Material)來連接模塊銅基板和支撐底板，因而使芯片到冷卻液的總熱阻大大降低。基于以上原因，功率模塊的直接冷卻技術(shù)近年來得到廣泛的應(yīng)用［4］。

本文介紹了自主研發(fā)的直接冷卻IGBT模塊散熱結(jié)構(gòu)，對其建立簡化仿真模型進行仿真研究，并設(shè)計試驗研究了水流量和安裝方向?qū)δK散熱性能的影響，同時將直接冷卻模塊與相同電氣參數(shù)的英飛凌間接冷卻模塊進行對比測試，結(jié)果表明直接冷卻模塊的結(jié)溫和熱阻均有所降低。仿真結(jié)果與試驗結(jié)果一致性較好，證明了仿真模型的準確性和簡化方法的可行性。

2 仿真研究

2.1 研究對象

本文中二合一直接冷卻IGBT模塊的外部封裝形式、內(nèi)部布局、IGBT和二極管芯片等與英飛凌公司的FF450R06ME3模塊完全相同，只是銅基板自帶pin-fin陣列以實現(xiàn)模塊的直接冷卻。為便于紅外熱像儀測量，模塊內(nèi)未灌封硅凝膠，并且芯片及DBC表面皆噴涂與配合紅外熱像儀使用的白色顯影劑，如圖1(a)所示。

關(guān)于散熱鰭片 pin-fin的形狀與布局對直接冷卻模塊散熱性能的影響，國內(nèi)外已開展相關(guān)研究［5］，本文對直接冷卻 IGBT模塊散熱鰭片 pin-fin的形狀和布局進行優(yōu)化設(shè)計，考慮加工工藝和成本，最終確定直接冷卻模塊采用圓柱形 pin-fin結(jié)構(gòu)，其直徑為2.4mm，高度為8.0mm，流道區(qū)域呈窄長型，如圖1(b)所示。模塊配套水槽采用分體式結(jié)構(gòu)，并設(shè)計導(dǎo)流槽使流道內(nèi)的流量分配更加均勻。

圖1 二合一IGBT模塊Fig．1 2 in 1 IGBT module

2.2 建模方法

本文對直接冷卻功率模塊內(nèi)的IGBT和二極管芯片、DBC、模塊銅基板(帶 pin-fin)、支撐底板(帶水槽)及流體建模，流體介質(zhì)為水。為便于網(wǎng)格劃分，同時節(jié)省計算時間，對模型進行一定簡化。具體如下:

(1)將IGBT、二極管芯片分別與其對應(yīng)的焊料(芯片與DBC之間)等效為整體，計算各向等效導(dǎo)熱系數(shù)。同時將等效體的厚度擴大相應(yīng)倍數(shù)，以提高網(wǎng)格質(zhì)量。

(2)忽略DBC覆銅層的刻蝕情況，將DBC和其對應(yīng)面積的焊料(DBC與銅基板之間)等效為整體，計算各向等效導(dǎo)熱系數(shù)。

(3)忽略o型圈及o型圈槽。

經(jīng)過以上簡化，最終仿真模型如圖2所示。仿真模型中的各個部件、材料及其物性參數(shù)設(shè)置見表1。

2.3 仿真計算

圖2 仿真模型Fig．2 Simulation model

表1 仿真模型材料參數(shù)Tab．1 Thermal conductivity coefficient of materials

按照以上建模和簡化方法，采用前端有限元熱流仿真軟件CFDesign進行計算，邊界條件和熱源按照如下方法設(shè)置:

(1)熱源。二合一模塊上下橋臂二極管直通，根據(jù)電壓電流計算總損耗為228W(IGBT直通時為212W)。認為損耗均勻分布在6塊芯片上。

(2)邊界條件。冷卻介質(zhì)為水，為方便與實驗數(shù)據(jù)對比，將入口水溫設(shè)為0℃，冷卻水定性溫度取20℃。體積流量設(shè)為9L/min，出口壓力設(shè)為0。

水流量9 L/min下，二極管和IGBT分別直通時的仿真結(jié)果見圖3?？芍O管直通時，其最高溫升為24.2℃，6個二極管芯片的最高溫升之差為1.5℃。IGBT直通時，其最高溫升為 15.0℃，6個IGBT芯片的最高溫升之差為0.8℃。

3 試驗研究

3.1 試驗設(shè)計

本試驗采用開放式二合一模塊進行測試，用紅外熱像儀實時監(jiān)測模塊內(nèi)部IGBT芯片的溫度場，并測量穩(wěn)態(tài)時IGBT模塊內(nèi)的NTC熱敏電阻阻值作為參考。試驗臺架如圖4所示，采用獨立水循環(huán)系統(tǒng)，可調(diào)節(jié)流量，同時控制水溫在20℃左右。將冷卻水流量從大到小調(diào)節(jié)為9～4L/min，并將二極管和IGBT分別直通進行試驗。供電電源為電流源，輸出電流100A，IGBT模塊上下橋臂直通，實測IGBT的電壓和電流來計算損耗。

圖3 水流量9L/min下的仿真結(jié)果Fig．3 Simulation results at 9L/min flow rate

圖4 試驗臺架Fig．4 Test system

另外，為了確定模塊安裝方向?qū)ζ渖嵝阅艿挠绊?，將模塊裸露芯片的一面分別水平向上、水平向下和豎直放置進行試驗，通過紅外熱像儀觀察芯片結(jié)溫的變化。

試驗的另一目的是對比直接冷卻模塊與目前應(yīng)用廣泛的傳統(tǒng)間接冷卻技術(shù)在散熱性能方面的差異，這里間接冷卻模塊配套試驗的水冷板為自主設(shè)計的雙逆流水冷板，8L/min流量下，其熱阻為6.3K/kW(冷卻液為50%乙二醇溶液)。

3.2 試驗結(jié)果及分析

實測IGBT直通時，總損耗為212W;二極管直通時，總損耗為228W。圖5列出了直接冷卻模塊芯片水平向上安裝時水流量6L/min下測得的紅外溫度云圖，圖6列出了間接冷卻模塊芯片水平向上安裝時水流量6L/min下測得的紅外溫度云圖。

圖5 水流量6L/min下直接冷卻模塊的溫度場Fig．5 Temperature field of direct-cooling module at 6L/min

圖6 水流量6L/min下間接冷卻模塊的溫度場Fig．6 Temperature field of indirect-cooling module at 6L/min

直接冷卻模塊芯片水平向上安裝時的試驗結(jié)果分別匯總到表2、表3。表中1～6為 IGBT芯片編號，如圖5和圖6所示，其中芯片1靠近水槽入水口。表中數(shù)據(jù)為各芯片表面最高溫升，Tavg為各芯片最高溫升的平均值。

表2 水平向上安裝時直接冷卻模塊IGBT的溫升Tab．2 IGBT chips’temperature rise of direct cooling module installed upwards(單位:℃)

表3 水平向上安裝時直接冷卻模塊二極管的溫升Tab．3 Diode chips’temperature rise of direct cooling module installed upwards(單位:℃)

將直接冷卻模塊與間接冷卻模塊的試驗結(jié)果整理到圖7，其中 Tmax為芯片最高溫度，q為水流量。通過分析可得到以下結(jié)論。

(1)二合一直接冷卻模塊總熱阻 Rjf，IGBT per arm和Rjf，diode per arm隨流量增大而減小，流量越大，熱阻變化越緩慢。間接冷卻模塊的熱阻也呈相同變化趨勢。

(2)本課題自主研發(fā)的二合一直接冷卻模塊與間接冷卻模塊相比，模塊總熱阻大大降低。水溫約20℃、水 流 量 4 ～ 9L/min 時，Rjf，IGBT per arm和Rjf，diode per arm分別降低30% ～33%、22% ～25%。

(3)直接冷卻模塊內(nèi)各芯片的溫度分布更為均勻，IGBT芯片間的最大溫差為3.6～3.8℃，二極管芯片間的最大溫差為7.0～7.3℃。而間接冷卻模塊內(nèi)IGBT芯片間的最大溫差為7.7～7.9℃，二極管芯片間的最大溫差為9.8～10.2℃。

圖7 直接冷卻與間接冷卻模塊結(jié)溫和熱阻對比Fig．7 Junction temperature and heat resistance of direct and indrect cooling modules

將各個安裝方向下直接冷卻模塊的試驗結(jié)果如圖8所示，可知水平安裝總體上優(yōu)于豎直安裝，同時水平向上安裝與水平向下安裝時，模塊的散熱性能相差不大。豎直安裝時，芯片的平均結(jié)溫與水平安裝相差不大，但最高結(jié)溫明顯高于水平安裝。這里認為豎直安裝時重力作用使流道區(qū)域的流量分配不均勻，導(dǎo)致芯片最高結(jié)溫較高。

圖8 試件安裝方向?qū)π酒Y(jié)溫的影響Fig．8 Temperature rise of chips in different installing directions

3.3 仿真與試驗對比

仿真結(jié)果與對應(yīng)工況的試驗結(jié)果對比見表4，可知仿真結(jié)果偏低。分析原因有以下幾點:

表4 仿真與試驗對比Tab．4 Comparison between tests and simulation(單位:℃)

(1)試驗結(jié)果中，溫度最高的芯片靠近模塊輸入端子，而端子溫度較高，受端子影響，芯片最高溫度偏高，同時芯片間的溫差也增大。仿真模型并未考慮端子發(fā)熱的影響，因此產(chǎn)生一定誤差。

(2)試驗用水含有較多雜質(zhì)，而直接冷卻模塊的pin-fin散熱鰭片分布較密，導(dǎo)致實際均流效果不如采用純水的仿真結(jié)果，故仿真的芯片間溫差與實測相差較大。

(3)芯片平均溫升的相對誤差反映了模塊熱阻的相對誤差，從對比結(jié)果可知，二極管芯片平均溫升的相對誤差為 －8%，而 IGBT芯片的相對誤差為1%，仿真與實測結(jié)果符合。

4 結(jié)論

本文對自主研發(fā)的直接冷卻IGBT模塊的散熱性能進行了仿真研究和試驗研究，分析了直接冷卻技術(shù)和間接冷卻技術(shù)對模塊散熱性能的影響。試驗結(jié)果表明，直接冷卻模塊與間接冷卻模塊相比，模塊總熱阻大大降低，水溫約20℃、水流量4～9L/min時，模塊的總熱阻最高降低33%。另外，直接冷卻模塊內(nèi)各芯片的溫度分布更為均勻，利于模塊的均流特性。仿真結(jié)果與試驗結(jié)果誤差較小，認為仿真模型具有一定的準確性，可用以模擬直接冷卻模塊的散熱特性。

本文同時評估了安裝方向?qū)δK散熱性能的影響，試驗表明，直接冷卻模塊水平安裝的散熱性能優(yōu)于豎直安裝，因此實際應(yīng)用時應(yīng)盡量采用水平安裝。豎直安裝時，芯片的平均結(jié)溫與水平安裝相差不大，但最高結(jié)溫明顯高于水平安裝。另外，水平向上安裝與水平向下安裝時，模塊的散熱性能相差不大。

［1］楊桂杰，楊銀堂，李躍進 (Yang Guijie，Yang Yintang，Li Yuejin)．多芯片組件熱分析技術(shù)研究 (Study on the techniques of thermal analysis for multi-chip modules) ［J］．微電子學(xué)與計算機 (Microelectronics＆Computer)，2003，(7):78-80．

［2］Ozmat B，Instrumerit S T，Dalias T X．Interconnect technologies and the thermal performance of MCM［J］．IEEE Transactions on Components，Packaging，and Manufacturing Technology，1992，15(5):860-869．

［3］Tan C M，Zhang G．Overcoming intrinsic weakness of ULSI metallization electro migration performances［J］．Thin Solid Films，2004，462:263-268．

(，cont．on p.60)(，cont．from p.25)

［4］Sasaki K，Hiyoshi M．風(fēng)力發(fā)電用 IGBT模塊的小尺寸、低熱阻及高可靠性封裝技術(shù)(Small size，low thermal resistance and high reliability packaging technologies of IGBT module for wind power applications)［J］．電力電子(Power Electronics)，2010，(4):57-61．

［5］Fumio Nagaune，Shinichiro Adachi，Takahisa Hitachi，et al．High thermal conductivity and reliability，downsized IGBT module for automotive applications［A］．EVS26 International Battery，Hybrid and Fuel Cell Electric Vehicle Symposium［C］．Los Angeles，USA，2012．

Heat dissipating performance research of direct-cooling IGBT module

SUN Wei1，2，3，LIU Jun1，2，3，SU Wei1，2，3，TAI Xiang1，2，3
(1．Institute of Electrical Engineering，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China; 2．Key Laboratory of Power Electronics and Electric Drive(Institute of Electrical Engineering，Chinese Academy of Sciences)，Beijing 100190，China;3．Beijing Engineering Laboratory of Electrical Drive System＆Power Electronic Device Packaging Technology，Beijing 100190，China)

The temperature of the components of the power electronic equipment is one of the key factors for its performance and reliability．For the heat dissipation of the IGBT power module，one of the most popular research focus is using the direct cooling technology to integrate the radiating fins into the copper substrate of the power module in the design phase．This structure ensures the installation of the IGBT module doesn't need to use the thermal interface materials to connect the module copper substrate and the cooling plate any longer，thus makes the entire thermal resistance of the module to be reduced significantly．In this paper，we tested the heat dissipating performance of a self-developed 2 in 1 direct cooling IGBT module and contrasted with the traditional indirect cooling module．The experiment results show that entire thermal resistance of the direct cooling module is reduced up to 33%，meanwhile the temperature field distribution is more uniform．In this paper，we also established a simulation model for the direct cooling power module，which has a satisfied consistency with the test results，therefore we can use the model to research the heat dissipating performance of the direct cooling module deeply．

power module;direct cooling;temperature field;thermal resistance

TM464

A

1003-3076(2014)04-0021-05

2013-07-10

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)資助項目(2011AA11A258)

孫 微 (1982-)，女，山東籍，工程師，碩士，研究方向為電驅(qū)系統(tǒng)散熱設(shè)計;劉 鈞 (1977-)，男，四川籍，高級工程師，研究方向為高功率密度車用電機控制器、電力電子集成。