如何通过改进IGBT模块布局来克服芯片缩小带来的热性能挑战

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作者：Jan Baurichter

翻译：赵佳

尺寸和功率往往看起来像是硬币的两面。当你缩小尺寸时--这是我们行业中不断强调的目标之一--你不可避免地会降低功率。但情况一定是这样吗？如果将我们的思维从芯片转移到模块设计上，就不需要抛硬币了。

在IGBT模块中，芯片面积减小导致了热阻抗的增加，进而影响性能。但是，由于较小的芯片在基板上释放了更多的空间，因此有可能利用这些新的可用空间来优化模块的布局。在这篇文章中，我们将探讨如何调整模块设计来改善热性能。下篇将探讨如何改善电气性能。

作为参考，我们将使用采用TRENCHSTOP IGBT 7技术的新型1200V、600A EconoDUAL 3模块，该模块针对通用驱动（GPD）、商业、建筑和农业车辆（CAV）、不间断电源（UPS）和太阳能等应用进行了优化。

更小的芯片带来的散热挑战

与以前的IGBT 4技术相比，1200V TRENCHSTOP IGBT 7中功率芯片的技术特点是芯片缩小了约30%。一般来说，越小越好，但对一个相同电流等级的模块，更小的芯片意味着从相同的芯片面积中流过更多的电流。这导致了从芯片结到散热器的热阻抗增加。为了补偿，你可以使用高导电性的基板材料，改善基片与散热器的接触，或使用高导电性的热界面材料。然而，这种材料会导致更高的成本，所以它们往往不是设计者的首选。

每个人都喜欢免费的东西，不是吗？因此，让我们把注意力转移到基板上的“免费”空间。缩小30%的芯片使基板上有更多的可用空间。现在，我们如何利用这些新释放出来的空间来改善热阻抗？

在EconoDUAL 3这样的中等功率模块中，多个芯片并联使用，以实现高模块电流。由于并联，多芯片间存在热耦合。来自两个芯片的热锋在模块的某一点上重叠，这导致两个芯片的有效耦合面积减少（图1）。

图1：简化的模块横截面显示了两个芯片的热量扩散和热量重叠与芯片距离的关系。热量从芯片1流经直接键合的铜基板（DBC）、底板、TIM，并进入散热器。

优化IGBT模块布局，提高热性能

带有铜底板的模块对芯片之间的距离依赖性较小，因为铜底板为散热器提供了一个厚实、高传导性的热路径。然而，与其他优化模块布局的步骤相结合，芯片的位置可以产生重大影响。

图2：在不同的芯片放置和DBC设计下，EconoDUAL 3封装的散热层中的模拟温度分布

在图2中，你可以看到芯片放置在两个具有相同热堆的EconoDUAL 3模块布局上的差异。除了优化芯片的位置外，直接键合铜基板（DBC）的布局也会产生影响。通过在模块布局V2中使用三个较小的DBC--而不是V1中的两个较大的DBC，底板可以被优化，具有较低的弯曲度，从而改善与散热器的热接触。

为了了解芯片缩小、模块布局和DBC如何结合起来影响整体热阻抗（Rth,jh），我们测量了它们对各种IGBT 4和IGBT 7模块布局的影响。在图3的第二列（IGBT7，模块布局V1，DBC #1），你可以看到，通过简单地缩小芯片尺寸而不对布局做任何改变，IGBT的Rth,jh增加了大约20%。

图3：与前一代IGBT 4模块相比，通过模块布局、腔体优化和DBC厚度对Rth,jh的改进

我们在第三栏中更进一步（IGBT7，模块布局V2，DBC #1），显示了将模块的内部布局从2个DBC改为3个DBC的影响，如图2所示。这表明，通过模块布局，30%的芯片面积减小，仅使IGBT结-散热器Rth,jh增加了10%（IGBT7，模块布局V2，DBC #1）

为了适应需要更高的隔离电压的应用，可以增加DBC陶瓷的厚度。图3的最后一栏（IGBT7，模块布局V2，DBC #2）代表了具有更厚陶瓷基板的新设计：已经上市的1200V TRENCHSTOP IGBT 7。