摘要：IGBT模塊底板是IGBT模塊的重要配件，對模塊的散熱、抗機(jī)械沖擊性能和長期應(yīng)用可靠性有著重要的影響，本文通過對挖槽型和非挖槽型IGBT模塊底板焊接表面應(yīng)力的仿真分析，證實(shí)了挖槽型底板有利于提升IGBT模塊的應(yīng)用可靠性。
關(guān)鍵詞： IGBT模塊 底板 挖槽型 非挖槽型
緒論
絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor，簡稱IGBT)模塊主要應(yīng)用于變頻器主回路DC/AC變換電路中，是高頻電力電子主電路和控制系統(tǒng)的核心開關(guān)器件，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于電力機(jī)車、高壓輸變電、電動汽車、伺服控制器、UPS、開關(guān)電源、斬波電源等領(lǐng)域。IGBT模塊作為核心部件，其本身的應(yīng)用可靠性直接影響著電力電子系統(tǒng)長期運(yùn)行的安全性與可靠性，因此，不斷對IGBT模塊的配件、材料進(jìn)行研究與優(yōu)化，從而提升IGBT模塊的整體可靠性是IGBT模塊設(shè)計(jì)與封裝制造技術(shù)領(lǐng)域需長期研究、探索的課題。
仿真對比分析
IGBT模塊設(shè)計(jì)主要需要滿足如下四個(gè)功能：(1)形成系統(tǒng)電路接口端子與模塊內(nèi)部IGBT、FRD芯片的電流通路;(2)形成模塊內(nèi)部IGBT、FRD芯片與外部環(huán)境的散熱通路;(3)實(shí)現(xiàn)模塊內(nèi)部電氣連接的絕緣隔離;(4)具有穩(wěn)固的封裝結(jié)構(gòu)[1]。按照封裝形式的不同，IGBT模塊可分為焊接式、壓接式和塑封式，焊接式IGBT模塊在市場上最為常見，應(yīng)用也最為廣泛，焊接式IGBT模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示[2]。
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從圖1可以看出，底板是焊接式IGBT模塊內(nèi)部IGBT、FRD芯片與外部散熱器散熱通路中的主要部件，對模塊的散熱性能有著重要的影響。眾所周知，模塊內(nèi)部IGBT、FRD芯片與外部散熱器之間熱阻越小，模塊的功率輸出就愈大。因此，為了盡可能的減小熱阻， IGBT模塊底板大多采用銅、鋁或鋁碳化硅等熱導(dǎo)率高的材料進(jìn)行制作;在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，則大多采用凸形底板設(shè)計(jì)，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。
凸形結(jié)構(gòu)底板與平板形底板相比，在模塊安裝狀態(tài)下，凸形結(jié)構(gòu)底板與散熱器的接觸面積大，底板與散熱器之間的接觸熱阻減小，模塊散熱特性改善，但因模塊安裝造成的底板形變，使模塊底板焊接面表面有應(yīng)力存在，而該應(yīng)力將會造成IGBT模塊內(nèi)部DBC基板與底板之間的焊層開裂、DBC基板開裂，導(dǎo)致模塊的散熱能力變差、絕緣特性失效，從而影響IGBT模塊的應(yīng)用可靠性。
在IGBT模塊安裝條件下，為了既能保持IGBT模塊底板與散熱器接觸面積大，散熱能力優(yōu)的特性，又能降低模塊底板安裝形變應(yīng)力對模塊可靠性造成的負(fù)面影響，我們設(shè)計(jì)了挖槽型IGBT模塊底板新結(jié)構(gòu)：在底板焊接面表面沿各DBC基板間隔中線挖U形淺凹槽，模塊安裝狀態(tài)下，由于底板焊接面表面凹槽結(jié)構(gòu)的存在，表面應(yīng)力可進(jìn)一步降低，同時(shí)，表面應(yīng)力分布將更加均勻。
為了驗(yàn)證在模塊安裝狀態(tài)下，挖槽型IGBT模塊底板與非挖槽型底板應(yīng)力大小與應(yīng)力分布狀況，我們借助計(jì)算機(jī)仿真軟件，在同等模塊安裝力矩條件下，對兩種底板焊接面表面應(yīng)力大小及分布狀況進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖3(a)、(b)所示。
從上圖可以看出：非挖槽型底板焊接面的應(yīng)力大小約在95822~900630Pa之間;挖槽型IGBT模塊底板焊接面的應(yīng)力約在121250~378280Pa之間，比非挖槽型底板焊接面的應(yīng)力峰值降低，且整個(gè)底板焊接面表面應(yīng)力分布更加均勻，應(yīng)力均勻區(qū)域的面積更大。
結(jié)論
通過對相同安裝條件下挖槽型IGBT模塊底板與非挖槽型底板表面應(yīng)力的仿真、對比、分析，發(fā)現(xiàn)挖槽型底板既保持了非挖槽模塊底板與散熱器的有效接觸面積大、散熱能力好的優(yōu)點(diǎn)，又能有效降低底板焊接表面應(yīng)力，可進(jìn)一步提升IGBT模塊的應(yīng)用可靠性。
參考文獻(xiàn)：
1、 Daniel Schneider, Lydia Feller, Dominik Trussel , Samuel Hartmann, Sven Klaka. ABB review 評論, 2008.
2、 Horio, M. et al. Investigations of high temperature IGBT module package structure. Proc. PCIM, Nurnberg, Germany. 2007.
本文作者：
中國中車永濟(jì)電機(jī)公司西安永電半導(dǎo)體分公司
王豹子 于凱
