深度解读IGBT双面冷却散热优势

作者:兰洋科技    浏览量:4721    时间:2023年05月14日    标签: IGBT芯片 IGBT模块

什么是IGBT?

IGBT全称为绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor),是由BJT(Bipolar Junction Transistor双极结型晶体三极管)和MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor绝缘栅型场效应管,也称金属氧化物半导体场效应管)组成的复合全控型-电压驱动式-功率半导体器件,其具有自关断的特征。特点是可以使用电压控制,耐压高,饱和压降小,切换速度快,节能等特点。

IGBT封装结构

IGBT的封装结构主要由IGBT芯片,DBC导热基板,封装材料,电连接端子等组成,芯片主要为Si,SiC,GaN等,DBC覆铜陶瓷导热基板的陶瓷材料主要有Si3N4,AL2O3,ALN等。

IGBT应用领域

从功能上来说,IGBT是一个可以使用计算机控制的电路开关,被广泛运用在了高铁、轨道交通、智能电网、航空航天、电动汽车与新能源装备等领域应用极广。

散热问题影响产品性能

随着功率电子器件正向高密度化,大功率,小型化发展,大规模运用电子器件给我们的生活带来便利的同时,越来越高功率使得电子器件的散热问题愈发严重。因此散热是一项非常关键的技术,散热性能的好坏直接影响着产品的性能和寿命。

传统单面冷却散热不足

传统的功率模块采用单面冷却结构,主要包括功率芯片、键合线、功率端子、外框、绝缘基板(DBC)、底板以及内部的灌封胶等,将底板固定在冷却器表面,功率芯片损耗产生的热量通过绝缘基板、底板单方向传导至散热器

这种方式虽然能够解决一定的散热需求,但并不能解决一些大热量的散热需求。因采用单面散热方案,传热通道有限,热阻较大,造成芯片与散热面的温差大,在长期使用过程中,芯片容易因温度过高而烧毁。

双面冷却散热优势

一些小尺寸高功率的部件不能使用传统的单面冷却结构满足其散热需求,近几年对功率模块双面冷却结构的研究也越来越多。和单面结构散热结构相比,双面冷却结构在功率芯片的两侧均焊接有绝缘导热基板,功率端子全部与绝缘导热基板相连,绝缘导热基板的外侧安装有散热器。这种结构的优点是可以减小功率模块的热阻,同时可以减小体积及质量,而且由于结构的改进使得可靠性也得到了提升。

叠层双面冷却散热

在增强功率模块散热性能的同时,进一步优化封装结构,达到增强散热的目的,设计了一款基于叠层功率芯片的双面冷却封装结构。为了尽量减小换流回路的面积,通过将上端芯片与下端芯片叠层设置,充分减小换流回路的路径及面积,从而在增强冷却性能的同时,减小散热结构体积。

双面冷却散热结构的体积缩小,冷却性能增强,结构体积较传统减小约90%,热阻降低约50%。同时匹配双面冷却封装形式可大幅度降低功率电子器件的工作结温,从而提高功率器件的功率输出和使用寿命。因此,双面冷却技术可推动功率电子模块向集成度更高,封装体积更小以及功率密度更大的方向发展。

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