淺談DBC陶瓷基板降低IGBT模塊熱阻

IGBT功率元件內(nèi)部的溫度變化不僅取決于自身產(chǎn)生的熱量，還受制于其周圍工作環(huán)境的影響。當元件內(nèi)部溫度升至一定閾值時，發(fā)熱功率會逐漸提高，進一步影響元件內(nèi)部溫度，形成惡性循環(huán)，導致元件的壽命縮短。

IGBT模塊主要由芯片、芯片焊料層、上銅層、襯板、下銅層、DBC焊料層和基板構(gòu)成，其中兩個銅層和襯板共同構(gòu)成了DBC層，各層材料及其屬性各不相同。當器件工作時產(chǎn)生功率損耗，各地方溫度分布變化，由于IGBT模塊各層材料的熱膨脹系數(shù)不同，器件在交變的溫度沖擊下產(chǎn)生交變的熱應力，導致熱阻增加，結(jié)溫升高且升高速率加快，嚴重時會造成焊料層開裂，溫度進一步升高，直至器件徹底失效。由溫度沖擊引起的失效形式主要分為焊料層的疲勞失效以及鍵合線脫落、斷裂失效。

在IGBT安裝工藝中，涂敷導熱硅脂被廣泛應用，導熱硅脂涂敷在散熱器與IGBT基板之間，用于填補IGBT與散熱器接觸的空隙，進而增加散熱器與IGBT的熱交換效率，提升IGBT散熱效果，改善IGBT的使用可靠性和使用壽命。IGBT的安裝工藝又決定了IGBT與散熱器之間的接觸情況，與導熱硅脂的涂敷密切相關(guān)。因此，導熱硅脂的涂敷效果受很多因素的影響，例如導熱硅脂涂敷厚度、絲網(wǎng)網(wǎng)格分布不適合、緊固力矩大小等。盡管導熱硅脂可以提高傳熱能力，但熱阻依然很大，如何降低熱阻，提高產(chǎn)品穩(wěn)定性，需要進一步優(yōu)化散熱方案。

為解決導熱硅脂的涂敷對IGBT模塊散熱不足的影響，將DBC直接焊接或燒結(jié)在散熱器上，使用一些銅鋁復合的材料以及鋁鍍鎳等材料。這種方式去除了傳統(tǒng)的銅底板和導熱硅脂兩個封裝界面，可大大降低熱阻，與傳統(tǒng)方案相比，熱阻降低30%到40%，同時能夠減少重量、降低成本并提高生產(chǎn)的可靠性。

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