IGBT的四大散热技术发展趋势小结

功率器件的灵魂是热学特性！芯片工作产生的热量通过不同的介质和界面传递到散热器，传递路径的热阻Rthjc来表示。

Note:

芯片面积越大，热阻越小；

2)热阻不是恒定值，受脉宽不是恒定值；

3)直接冷却新能源汽车，热阻受冷却液流速的影响；

对模块而言，技术迭代主要围绕包装和连接。目前在电机逆变器中IGBT铜基板一般用于模块的焊接覆铜陶瓷板（DBC，DirectBond Copper），IGBT 焊接二极管芯片DBC芯片间、芯片与板上DBC板、芯片和端口一般通过铝绑线连接，基板下通过导热硅脂与散热器连接进行水冷散热。模块包装和连接技术始终围绕基板，DBC板断优化板材、焊接、绑定线和散热结构。

1)芯片间连接方式:铝线/铝带→铜线→平面连接。

目前IGBT芯片之间多采用铝线焊接，但线的厚度限制了电流强度，需要并联使用，或改为铝带连接，但由于材料和结构问题，铝线容易产生热疲劳，加速老化断裂，导致模块失效。

因此，Danfoss等厂商引入铜导线三菱电机、德尔福和赛米控分别用于提高电流容纳能力和高温疲劳性能CuLead Frame(引线框架)，对称DBC芯片之间的平面连接板和柔性电路板，结合双面水冷结构，进一步提高散热，保持模块稳定性。

2)散热结构:单面间接散热:→单面直接水冷→双面水冷结构。

最初的间接散热结构是用导热硅脂连接基板和散热器，但导热硅脂根据散热性差Semikron公司的《功率半导体应用手册》，从芯片到散热器的热阻贡献超过50%。

单面直接水冷结构在基板背面增加针翅（PinFin）无导热硅脂的散热结构直接插入散热水套中，热阻可降低40%以上。富士的第三代单面直接水冷结构集成了基板散热针翅和水套，进一步降低了30%的热阻。目前，英飞凌HP2/HPDrive、三菱电机J1系列、比亚迪V-215/V-315等主流汽车IGBT所有模块均采用单面直接水冷结构。

目前，双面水冷结构已逐渐得到广泛应用，芯片正面一般采用平面连接和安装Pin-Fin目前具有代表性的结构双面散热应用包括InfineonHP DSC 模块，德尔福Viper模块(雪佛兰Volt）以及日立水冷模块(奥迪e-tron）。

3）DBC板材及基板：材料迭代

未来DBC板的材料由Al2O3→AlN→Si3N4迭代，由基板材料制成Cu向AlSiC迭代。

基板与DBC 板材，以及DBC板与Si基芯片膨胀系数的差异决定了连接层在大温度变化时是否会变形和脱落。DBC板材需要重点考虑Si基芯片热膨胀系数热膨胀系数的匹配因素是否具有高热导率，目前应用最广泛Al2O3陶瓷材料热导率低，与芯片膨胀系数差异大，局限性明显，AlN、Si3N4凭借与Si比如德尔福，材料更接近热膨胀系数，导热率更高。Viper模块应用AlN陶瓷材料。

基板与散热器直接连接，需要考虑热导率，然后考虑芯片，DBC目前，铜基板常用于匹配热膨胀系数，实现快速散热AlSiC虽然热导率不如铜，但热膨胀系数更接近芯片和DBC，能有效提高模块的热循环能力，快速提高渗透率。此外，一些制造商直接采用无基板设计策略，如赛米控汽车级功率模块SkiM直接将DBC将高性能导热硅脂直接压在散热器上，用银烧结技术最终将其温度循环能力提高15倍。

4）芯片、DBC板与基板之间的连接方式：SnAg焊接→SnSb焊接、Ag/Cu烧结

目前芯片之间的绑定线、芯片和DBC板及DBC板与基板之间的连接通常是通过SnAg焊接方法，但温度循环产生的应力容易导致DBC板与散热基板之间的焊接层出现裂纹，焊接老化也会导致芯片温度升高，最终影响模块的使用寿命。

因此SnSb逐步引进富士电机车载焊接、低温银烧结、铜烧结等技术IGBT模块在DBC与基板之间使用SnSb焊接代替SnAg焊接抑制裂纹膨胀。

Semikron的SKiN技术采用Ag日立汽车功率模块采用烧结Cu烧结，实现稳定的连接、更优的温度特性更长的寿命。

其中，根据Semikron官网，Ag烧结层厚度至少比焊接层薄70%，热导率提高3倍，热阻降低到1/15，但成本较高，Cu与成本相比，烧结具有更好的电子迁移能力和热循环能力Ag也明显减少，但烧结容易氧化，对模块制造商的技术能力要求很高。

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