双面散热汽车IGBT器件热测试评估方式创新

IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor），绝缘栅双极型晶体管，是由（Bipolar Junction Transistor，BJT）双极型三极管和绝缘栅型场效应管（Metal Oxide Semiconductor，MOS）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件， 兼有（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor， MOSFET）金氧半场效晶体管的高输入阻抗和电力晶体管（Giant Transistor，GTR）的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。

IGBT是功率半导体器件，可以说是电动车的的核心技术之一，IGBT的好坏直接影响电动车功率的释放速度。特斯拉Model X使用132个IGBT管，其中后电机为96个，前电机为36个IGBT约占电机驱动系统成本的一半。

再比如在在充电桩的应用上，当220V交流市电给电池充电时，需要通过IGBT设计的电源转换电路将交流电转变成直流电给电池充电，同时要把220V电压转换成适当的电压以上才能给电池组充电。

而IGBT模块的封装结构的创新使得双面散热（double-sided cooling， DSC）功率模块比传统单面散热（single-sided cooling， SSC）功率模块具有更强的散热能力和更低的寄生参数。双面散热汽车IGBT器件在丰田（Denso）、通用（Delphi）、特斯拉（ST）等厂家的成功批量应用使得双面散热汽车IGBT器件热测试越加重视。

IGBT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。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。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。

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。但是对于一些小尺寸高功率的模块不能使用传统的单面冷却结构满足其散热需求，双面散热越加重要。

在这样的背景下双面散热汽车IGBT模块同时向正、反两面传导热量，其热测试评估方式需重新考量。很多的科研人员对双面散热功率模块的一维热传递模型进行了研究。

株洲中车时代半导体有限公司、新型功率半导体器件国家重点实验室的罗哲雄、周望君、陆金辉、董国忠，在2022年第12期《电气技术》发布论文，“双面散热汽车IGBT模块热测试方法研究”为双面散热汽车IGBT器件热测试评估方式创新提供了非常好的参考。

该论文重点研究双面散热汽车IGBT模块热测试方法。首先提出一种新的双界面热测试思路，然后基于一款双面散热汽车X模块的封装结构设计开发热测试工装，并完成热界面材料的调研与选型，同时对模块不同压装方式进行对比研究，开发出一种适用于双面散热汽车IGBT模块的单面热阻抗测试方法，并成功实现X模块的双面与单面热阻测试，最后对比单面与双面热阻值、实测值与仿真值之间的差异，并讨论差异的产生原因与修正手段。

在论文中提出一种适用于双面散热汽车IGBT模块的双界面散热结构热测试方法，可实现单面热阻测试，对比单面与双面热阻值、实测值与仿真值之间的差异；详细的细节大家可以参考该论文。

综合整理自《电气技术》《电工技术学报》等