目前各種各樣的電力電子系統(tǒng)都希望實(shí)現(xiàn)更小的體積，但輸出更大的功率。因此，作為電力電子系統(tǒng)的核心器件的功率模塊需要具有更小的封裝并輸出更大的功率。功率模塊的功率密度相應(yīng)地得到大幅度提升，但這也對散熱設(shè)計(jì)提出了更高的要求。對于更好的散熱設(shè)計(jì)，一個(gè)重要的因素是減小散熱基板和散熱器之間的熱阻。為了實(shí)現(xiàn)散熱基板和散熱器之間更好的接觸，一般會(huì)使用熱熱介質(zhì)來增強(qiáng)基板和散熱器之間的接觸，然而該熱介質(zhì)的參數(shù)，例如厚度、性能和材料特性等，都將影響散熱能力和功率模塊的可靠性。另一方面，由于IGBT和二極管運(yùn)行產(chǎn)生的損耗所導(dǎo)致的溫度變化，將會(huì)造成功率模塊散熱基板發(fā)生形變。散熱基板的這種微小而重復(fù)的形變將導(dǎo)致熱介質(zhì)被擠出，最終會(huì)導(dǎo)致“泵出失效”。為了保證熱介質(zhì)的長期穩(wěn)定性，需要研發(fā)出更為先進(jìn)的封裝結(jié)構(gòu)，以防止基板在連續(xù)的溫度循環(huán)下產(chǎn)生形變。
傳統(tǒng)功率模塊的結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。其中各種材料的熱膨脹系數(shù)(CTE)列出在表2.1中。在這種結(jié)構(gòu)中，構(gòu)成模塊的散熱基板的DBC，焊接層和銅底板等部件的熱膨脹系數(shù)各不相同。由IGBT和二極管運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的熱將導(dǎo)致殼溫變化，因此，各部件由于熱膨脹系數(shù)不同而造成的伸縮程度也將不同。最終，各層之間不同的張力導(dǎo)致不同的形變，就象典型的雙金屬結(jié)構(gòu)一樣。這種現(xiàn)象就是導(dǎo)致散熱基板形變的原因。
圖2.2是基板形變現(xiàn)象的示意圖。在反復(fù)的溫度變化下，功率模塊基板將像圖2.2a)和b)所示的那樣反復(fù)形變。這種形變將會(huì)把熱介質(zhì)擠出，因而這種泵出失效導(dǎo)致散熱器和基板之間熱接觸不充分。接觸不充分的結(jié)果是功率模塊散熱能力的下降和熱阻Rth(c-s)的上升。在最壞的情況下，功率模塊的結(jié)溫可能會(huì)超過最大允許結(jié)溫而產(chǎn)生熱損壞。
通過匹配各種材料的熱膨脹系數(shù)(CTE)，新的封裝結(jié)構(gòu)可以顯著降低各層材料之間的應(yīng)力。圖3.1顯示了這種全新的功率模塊結(jié)構(gòu)，表3.1則給出了新結(jié)構(gòu)中各層材料的熱膨脹系數(shù)。這種新的封裝結(jié)構(gòu)采用了固體樹脂作為灌封材料，用以替代傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的凝膠。為此，我們不僅開發(fā)了基礎(chǔ)材料，還開發(fā)了一種灌封用的樹脂，以使得結(jié)合在一起的部件都有一致的熱膨脹系數(shù)(CTE)。
這種良好匹配的熱膨脹系數(shù)將幫助散熱基板在溫度變化下產(chǎn)生更少的形變。圖3.2和圖3.3顯示了環(huán)境溫度從25℃變化為-40℃時(shí)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)和新型結(jié)構(gòu)散熱基板的應(yīng)力分析(有限元分析)。為了使區(qū)別顯示更明顯，右圖均為放大5倍后的結(jié)果。
這個(gè)仿真結(jié)果描述了使用樹脂材料的新型結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的散熱基板在溫度變化時(shí)的形變。結(jié)果顯示，使用這種新型結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生彎曲的幾率大大減小。
新型封裝基板彎曲和溫度的相關(guān)性如圖4.1和表4.1所示。在實(shí)驗(yàn)中，我們通過環(huán)境試驗(yàn)箱來控制三個(gè)不同的環(huán)境溫度，用以測量參考點(diǎn)的垂直位移。參考的長度是91mm。表4.1顯示了9片樣品測量結(jié)果的平均值。
當(dāng)溫度從25℃上升到125℃時(shí)，測量點(diǎn)位移變化僅為13.4um，這可以說明整個(gè)散熱基板并沒有出現(xiàn)明顯的彎曲。另一個(gè)實(shí)際的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是，在經(jīng)歷了300個(gè)熱循環(huán)后，所采用典型的熱介質(zhì)也沒有發(fā)生泵出效應(yīng)。這將使我們開發(fā)的新型功率模塊發(fā)生泵出失效的可能性大大降低。
這種全新設(shè)計(jì)的功率模塊結(jié)構(gòu)將相鄰各層的熱膨脹系數(shù)進(jìn)行了匹配。這樣的改進(jìn)可以有效地控制散熱基板在溫度循環(huán)下所產(chǎn)生的彎曲，從而能夠顯著降低由于泵出效應(yīng)而導(dǎo)致模塊損壞的可能性。
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