功率半導(dǎo)體需要與散熱器進行導(dǎo)熱連接。除了貼裝過程之外，所使用的熱界面材料以及基板設(shè)計會共同對熱傳導(dǎo)產(chǎn)生影響。除了初始狀態(tài)外，還應(yīng)觀察動態(tài)負載下熱傳導(dǎo)的變化。由于熱膨脹而導(dǎo)致的微位移可能造成熱界面因泵出效應(yīng)而產(chǎn)生劣化。

電力電子組件的新發(fā)展集中體現(xiàn)在三個主要方面。電氣改善旨在降低開關(guān)損耗和靜態(tài)損耗及EMI特性。設(shè)計中的機械變化處理機械強度的改善。機械設(shè)計也是改善模塊的熱性能的關(guān)鍵。

這三個主題中有一個值得注意的差別。功率模塊總體結(jié)構(gòu)的電氣調(diào)整和內(nèi)部改善都由半導(dǎo)體制造商完成。然而，熱方面主要取決于在用戶現(xiàn)場的安裝。添加的導(dǎo)熱材料及其本身的應(yīng)用過程對模塊的性能有重大影響。必須注意全面考慮貼裝方面、模塊與相應(yīng)的散熱器之間的互連以及在最終逆變器預(yù)測壽命內(nèi)隨后產(chǎn)生的熱機械效應(yīng)。利用配有一塊較大基板的一個模塊的示例，可顯示不同的方法如何幫助模塊基板的優(yōu)化，以實現(xiàn)出色的熱性能來支持高度可靠、持久耐用的逆變器系統(tǒng)的開發(fā)。

熱機械學(xué)

作為較大塊的組合體，功率模塊在運行時會受到高溫波動的影響。功率半導(dǎo)體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括一個由不同材料制成的復(fù)合體，這些材料具有不同的熱膨脹系數(shù)(CTE)。結(jié)合基板的宏觀幾何拓撲，運行時會引起熱機械位移，造成模塊與散熱器之間的可用體積減小，如圖1所示。

圖1：由于溫差造成的基板形狀的變化，箭頭表示安裝應(yīng)力

這種體積減小是高溫運行時施加到熱樹脂上的壓力之所以產(chǎn)生的核心原因。由于這種構(gòu)造在冷卻時會卸壓，所以其效應(yīng)隨著每一個熱循環(huán)反復(fù)產(chǎn)生。

由圖可推斷出基板在冷態(tài)下的初始狀態(tài)會對由熱引起的位移產(chǎn)生影響。然而，通過評估基板在冷態(tài)下的形狀來判斷模塊的熱性能將導(dǎo)致讓人誤解的解釋。

基板與散熱器在高溫水平下仍然存在的間隙必須盡可能地小，以改善熱耦合。優(yōu)化必須考慮生產(chǎn)時的初始形狀、預(yù)成形和受熱過程。設(shè)計目標(biāo)是增加最終設(shè)計中受熱有效的基板區(qū)域。除了參考資料中所述的方法之外，對基板的某些區(qū)域進行金屬的良好定向，壓密是一種可行的選擇。在EconoPACK™+D系列的開發(fā)階段，對不同的方法進行了評估。在后來覆有DCB材料的區(qū)域打上印記，如圖2所述。

圖2：基板和標(biāo)定的DCB的位置

為了評估熱性能的影響和泵出效應(yīng)的大小，建立了一個試驗臺，以便在有效的熱應(yīng)力試驗中獲得可再現(xiàn)且可比較的結(jié)果。

試驗臺和實驗結(jié)果

試驗系統(tǒng)包括一個功率模塊，安裝在一個采用強制風(fēng)冷的適當(dāng)?shù)纳崞魃?。貼裝根據(jù)相應(yīng)應(yīng)用說明中的建議進行。模塊內(nèi)的所有IGBT芯片被激活并彼此串聯(lián)，以分別實現(xiàn)均勻的電流分擔(dān)和均勻的升溫過程。以這種方法，功率模塊內(nèi)的溫度分布與實際應(yīng)用密切相關(guān)，從而獲得可靠的實驗結(jié)果。由于觀察的泵出效應(yīng)因萬有引力的原因在垂直安裝的系統(tǒng)中更加突出，所以試驗選擇了這種安裝方向。對實驗進行監(jiān)控包括測量電源配置提供恒定電流時的DUT兩端的電壓。在熱力方面，利用紅外照相機來檢測溫度分布中甚至微小的變化，可觀察這種設(shè)置。實驗室中采用的設(shè)置如圖3所示。

圖3：評估由熱引起的泵出效應(yīng)的試驗臺

優(yōu)化功率模塊的基板是達到期望的熱性能的一個必要步驟。但是，基板、熱界面材料和應(yīng)用要求必須作為一個在規(guī)定的熱條件下正常運行的完整系統(tǒng)加以考慮。優(yōu)化必須將涉及的每一方面都考慮在內(nèi)方可達到可能的最佳結(jié)果。