雙面散熱汽車 IGBT 模塊熱測試方法研究

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2023-02-23 10:33:58 652

摘要

與傳統(tǒng)單面散熱 IGBT 模塊不同，雙面散熱汽車 IGBT 模塊同時向正、反兩面?zhèn)鲗?dǎo)熱量，其熱測試評估方式需重新考量。本文進行雙面散熱汽車 IGBT 模塊熱測試工裝開發(fā)與熱界面材料選型，同時對比研究模塊壓裝方式，開發(fā)出一種適用于雙面散熱汽車 IGBT 模塊的雙界面散熱結(jié)構(gòu)熱測試方法，可實現(xiàn)單面熱阻測試，對比單面與雙面熱阻值、實測值與仿真值之間的差異，并討論差異產(chǎn)生原因與修正手段。測試結(jié)果表明，該方法具有*的可重復(fù)性與可推廣性，可為雙面散熱汽車 IGBT 模塊的熱測試提供參考。

0 引言

近年來，全球溫室效應(yīng)的加劇與化石能源的日漸枯竭逐漸成為制約傳統(tǒng)燃料汽車發(fā)展的瓶頸。功率芯片的面積越來越小、開關(guān)速度越來越快、工作頻率越來越高，其單位面積的熱通量持續(xù)增加，功率芯片的熱管理已成為制約功率模塊應(yīng)用的瓶頸問題，亟需先進的封裝結(jié)構(gòu)和封裝工藝，降低功率模塊的熱阻。相對于傳統(tǒng)單面散熱（single-sided cooling, SSC）功率模塊，雙面散熱（double-sided cooling, DSC）功率模塊具有更強的散熱能力和更低的寄生參數(shù)。為了進一步提高車用電機控制器的效率、功率密度和可靠性，雙面散熱功率模塊在電動汽車中的應(yīng)用得到了越來越多的關(guān)注。加入IGBT交流群，加微信：tuoke08。隨著雙面散熱汽車 IGBT 器件在豐田（Denso）、通用（Delphi）、特斯拉（ST）等廠家的成功批量應(yīng)用，市場對雙面散熱 IGBT 模塊的需求急劇增加。

相對于傳統(tǒng)單面散熱功率模塊，雙面散熱功率模塊采用先進的三維封裝結(jié)構(gòu)。雙面散熱 IGBT功率模塊具有多個傳熱通道，現(xiàn)有熱阻測試方法仍然沿用單通道傳熱的熱阻測試方法。與傳統(tǒng)單面散熱 IGBT 模塊不同，雙面散熱汽車 IGBT 模塊同時向正、反兩面?zhèn)鲗?dǎo)熱量，其散熱方式與壓接式IGBT 模塊類似，但由于封裝結(jié)構(gòu)不同，其內(nèi)部散熱路徑與熱阻會有較大差別，評估方式需重新考量。目前，只有英飛凌等少數(shù)大廠推出了雙面散熱汽車系列化產(chǎn)品，國內(nèi)外關(guān)于雙面散熱汽車產(chǎn)品熱測試的可參考文獻較少。

本文重點研究雙面散熱汽車 IGBT 模塊熱測試方法。首先提出一種新的雙界面熱測試思路，然后基于一款雙面散熱汽車 X 模塊的封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計開發(fā)熱測試工裝，并完成熱界面材料的調(diào)研與選型，同時對模塊不同壓裝方式進行對比研究，開發(fā)出一種適用于雙面散熱汽車 IGBT 模塊的單面熱阻抗測試方法，并成功實現(xiàn) X 模塊的雙面與單面熱阻測試，最后對比單面與雙面熱阻值、實測值與仿真值之間的差異，并討論差異的產(chǎn)生原因與修正手段。

1 熱測試方案

1.1 傳統(tǒng)方法與主要問題

IGBT 的結(jié)溫測試方法主要有熱敏參數(shù)法、有限元仿真法、傳感標定法、紅外掃描法等，傳統(tǒng)的IGBT 模塊結(jié)-殼熱阻測試采用 JESD 51—14 標準規(guī)定的雙界面法，分別測量有導(dǎo)熱脂、無導(dǎo)熱脂兩個界面下的溫度曲線，轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線，求出兩條曲線的重合部分，就可以得出 IGBT 產(chǎn)品的結(jié)-殼瞬態(tài)熱阻抗曲線。

雙面散熱 IGBT 模塊的結(jié)構(gòu)特點決定其對接觸熱阻要求非常高，而 X 模塊特殊工藝過程引入的拱度問題會導(dǎo)致散熱面與散熱器的直接壓接效果不良，散熱面之間存在空隙，造成 X 模塊與散熱器直接壓裝效果如圖 1 所示。雙界面法測試的前提是保證兩個界面條件下芯片結(jié)-殼散熱路徑一致，直接壓裝會使其與硅脂界面的路徑不一致，結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線前段不重合，導(dǎo)致無法準確測試熱阻。故傳統(tǒng)雙界面法不適用于雙面散熱汽車 IGBT 模塊熱測試，需開發(fā)新的界面材料代替直接壓接，以確保兩個界面散熱路徑的一致性。

1.2 雙界面散熱結(jié)構(gòu)測試法

為解決上述問題，本文創(chuàng)新性地提出雙界面散熱結(jié)構(gòu)的熱測試方法，對傳統(tǒng)雙界面法進行優(yōu)化，分別采用兩種不同的導(dǎo)熱界面材料 A 與 B 對結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線進行分離。雙界面材料雙面耦合熱阻測試方法如圖 2 所示，步驟如下。

1）模塊的主、次散熱面用導(dǎo)熱界面材料 A 覆蓋，壓裝在散熱器上，散熱器持續(xù)通水，啟動熱阻測試，得到結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線 1-1。

2）模塊的主、次散熱面用導(dǎo)熱界面材料 B 覆蓋，壓裝在散熱器上，散熱器持續(xù)通水，啟動熱阻測試，得到結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線 1-2。

兩條結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線的重合部分即為模塊的雙面結(jié)-殼熱阻。

雙面散熱汽車 IGBT 產(chǎn)品金屬表面結(jié)構(gòu)僅傳導(dǎo)熱量而不傳導(dǎo)電能，其散熱路徑可理解為兩個功率與熱阻參數(shù)不同的器件，背靠背地同時向兩個面?zhèn)鲗?dǎo)熱量。從文獻[17]中的壓接 IGBT 模塊串聯(lián)熱阻測試方法得到啟示，只要設(shè)法實現(xiàn)雙面散熱汽車產(chǎn)品單面散熱，理論上可分別測量 IGBT 模塊主、次兩個散熱面的結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線。消除雙面導(dǎo)熱耦合效應(yīng)的辦法是實現(xiàn)熱量單面?zhèn)鲗?dǎo)，雙界面材料單面熱阻測試方法如圖 3 所示，具體步驟如下。

1）模塊的主散熱面用絕熱材料覆蓋，次散熱面通過界面材料 A 壓裝在散熱器上，散熱器持續(xù)通水散熱，測得次散熱面結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線 2-1。

2）模塊的主散熱面用絕熱材料覆蓋，次散熱面通過界面材料 B 壓裝在散熱器上，散熱器持續(xù)通水散熱，測得次散熱面結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線 2-2。

3）模塊的次散熱面用絕熱材料覆蓋，主散熱面通過界面材料 A 壓裝在散熱器上，散熱器持續(xù)通水散熱，測得主散熱面結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線 3-1。

4）模塊的次散熱面用絕熱材料覆蓋，主散熱面通過界面材料 B 壓裝在散熱器上，散熱器持續(xù)通水散熱，測得主散熱面結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線 3-2。

對于單面的兩次測量，因其結(jié)-殼導(dǎo)熱路徑完全一致，僅殼-散熱器熱阻有差別，故兩條結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線在模塊散熱面處分離，重合部分即對應(yīng)的結(jié)-殼熱阻，通過以上方法即可獲取對應(yīng)的單面結(jié)-殼熱阻。

1.3 測試工裝設(shè)計

從 X 模塊的結(jié)構(gòu)特點與發(fā)熱特性出發(fā)，經(jīng)結(jié)構(gòu)設(shè)計、仿真分析與優(yōu)化，實現(xiàn)高換熱效率散熱器設(shè)計：在器件最大發(fā)熱功率情況下，上、下散熱面溫差在 1℃以內(nèi)，且進、出水溫差在 2℃以內(nèi)。X 模塊熱測試工裝整體設(shè)計如圖 4 所示。

2 材料選型

2.1 導(dǎo)熱界面材料

按照雙界面材料熱測試方案，需選定合適的導(dǎo)熱與絕熱材料作為界面，以實現(xiàn) IGBT 模塊的雙面與單面熱阻抗測試。加入IGBT交流群，加微信：tuoke08。經(jīng)技術(shù)調(diào)研，綜合考慮各種材料的物理、化學(xué)特性，決定選用散熱石墨膜、導(dǎo)熱硅脂這兩種材料作為 X 模塊的熱阻測試導(dǎo)熱界面材料，其特性參數(shù)見表 1。

采用散熱石墨膜作為第二界面的壓裝效果如圖5 所示，與圖 1 相比，壓力均勻性得到顯著改善。

2.2 絕熱界面材料

經(jīng)技術(shù)調(diào)研，篩選出柔性氣凝膠、聚氨酯 PU膠作為 X 模塊熱測試的備選絕熱界面材料，其特性參數(shù)見表 2。

為驗證兩者的實際絕熱性能，用兩種材料分別對次散熱面進行隔熱，導(dǎo)熱材料均采用石墨膜，進行主散熱面的熱阻對比測試，結(jié)果如圖 6 和圖 7 所示。圖 6 中曲線 1～4、圖 7 中曲線 1～4 依次為聚氨酯 PU 膠絕熱下的 IGBT 熱阻與結(jié)溫數(shù)據(jù)、氣凝膠絕熱下的 IGBT 熱阻與結(jié)溫數(shù)據(jù)、聚氨酯 PU 膠絕熱下的快速恢復(fù)二極管（fast recovery diode, FRD）熱阻與結(jié)溫數(shù)據(jù)、氣凝膠絕熱下的 FRD 熱阻與結(jié)溫數(shù)據(jù)。

雙面散熱器件散熱路徑為并聯(lián)，耦合熱阻計算公式為：

式中：R1為主散熱面熱阻；R2 為次散熱面熱阻。當次散熱面為*絕熱即 R2→∞時，總熱阻 Rtot≈R1，在 R1 保持不變的前提下，材料絕熱性能越差，熱阻R2 越小，總熱阻 Rtot 越小。

對比結(jié)果顯示，聚氨酯 PU 膠絕熱下測得的結(jié)環(huán)熱阻值與最高結(jié)溫值均低于氣凝膠，表明相同壓裝力矩下，氣凝膠的絕熱能力優(yōu)于聚氨酯 PU 膠，故選擇氣凝膠作為熱測試的絕熱材料。

3 熱測試與結(jié)果分析

X 模塊雙界面散熱結(jié)構(gòu)熱測試的硬件安裝方式如圖 8 所示。

3.1 方案設(shè)計

為研究壓裝力矩對 X 模塊結(jié)-殼熱阻的影響程度，設(shè)計壓裝力對比測試條件見表 3。

3.2 雙面熱阻測試

不同壓裝力矩下 X 模塊 IGBT 雙面熱阻如圖 9所示，圖中從曲線 1 和曲線 2 為 0.5N·m 壓裝力矩下的熱阻數(shù)據(jù)，曲線 3 和曲線 4 為 1.2N·m 壓裝力矩下的熱阻數(shù)據(jù)。

X 模塊雙面熱阻測試結(jié)果見表 4。隨著壓裝力矩增大，X 模塊 IGBT 和 FRD 的器件結(jié)環(huán)熱阻減小，而結(jié)-殼熱阻測試無明顯變化，表明對于雙面散熱IGBT 模塊，不同的壓裝力矩僅影響器件與散熱器的接觸熱阻，對其結(jié)-殼熱阻的測試無影響。

基于以上結(jié)論，后續(xù)測試壓裝力矩均設(shè)置為條件一。

3.3 熱仿真

X 模塊的熱仿真模型如圖 10 所示。

按表 3 條件一設(shè)置邊界條件與隔熱材料，設(shè)置單個芯片的損耗功率為 100W，得到主散熱面仿真結(jié)果如圖 11～圖 13 所示。

按同樣方法對 FRD 進行仿真，X 模塊熱仿真結(jié)果見表 5。

3.4 單面熱阻測試

按雙界面材料法分別進行 X 模塊的主、次散熱面的單面熱阻測試，結(jié)果如圖 14 和圖 15 所示。

X 模塊單面熱阻測試結(jié)果見表 6。

測試結(jié)果顯示該方法測得的上、下管單面熱阻一致性較好。

3.5 差異分析與誤差修正

X 模塊熱阻實測與仿真結(jié)果對比見表 7。IGBT與 FRD 的雙面熱阻實測值與仿真值偏差均在±5%以內(nèi)，主散熱面熱阻的實測值與仿真值偏差均在±10%以內(nèi)，次散熱面熱阻的實測值與仿真值偏差較大，約為 70%。

根據(jù)式（1）計算的雙面耦合值與實測值對比見表 8。表中 IGBT 的單面實測耦合值與雙面實測值偏差為?6%左右，F(xiàn)RD 的單面實測耦合值與雙面實測值偏差為?10%左右，兩者偏差較大。

由于不存在*隔熱材料，雙面散熱模塊的熱耦合效應(yīng)無法完全消除。對于次散熱面絕熱工況，由于主散熱面熱阻較小，絕大部分熱量流經(jīng)無絕熱材料的主散熱面，形成理想的單面散熱，測試值偏差較小；對于主散熱面絕熱工況，由于次散熱面本身熱阻較大，會有部分熱量流經(jīng)有絕熱材料的主散熱面，耦合效應(yīng)較大，導(dǎo)致測試值與仿真值的偏差較大。

針對次散熱面熱測試中的熱耦合效應(yīng)，修正方法是采用基于主散熱面與雙面的實測熱阻反推次散熱面熱阻的方式消除耦合效應(yīng)，修正后的結(jié)果見表9，誤差縮小到 25%以內(nèi)。

3.6 重復(fù)性驗證

為驗證雙面散熱汽車 IGBT 模塊熱測試方法的可重復(fù)性，對 X 模塊進行重復(fù)壓裝與熱阻測試，結(jié)果見表 10。結(jié)果顯示，五次測試結(jié)果偏差在±2%以內(nèi)，表明該熱測試方法具有*的可重復(fù)性與可推廣性。

4 結(jié)論

本文基于熱測試工裝設(shè)計、界面材料選型與壓裝方式對比研究，提出了一種適用于雙面散熱汽車IGBT 模塊的雙散熱界面材料熱測試方法，可實現(xiàn)雙面與單面結(jié)-殼熱阻測試；對于雙面散熱汽車 IGBT模塊，在一定范圍內(nèi)的不同壓裝力矩對其結(jié)-殼熱阻的測試無影響；雙面熱阻測試方法得到的 IGBT 與FRD 的雙面熱阻實測值與仿真值偏差在±5%以內(nèi)，單面熱阻實測值與仿真值偏差在±10%以內(nèi)，該方法可準確實現(xiàn)雙面散熱汽車 IGBT 的熱阻測試，結(jié)果具有參考價值；雙面散熱模塊的熱耦合效應(yīng)無法完全消除，導(dǎo)致單面熱阻實測值與仿真值偏小，可采用根據(jù)主散熱面與雙面實測熱阻反推次散熱面熱阻的方式降低耦合效應(yīng)并修正測試結(jié)果；該熱測試方法具有*的可重復(fù)性與可推廣性。

來源：電氣技術(shù)

作者：羅哲雄 1,2 周望君 1,2 陸金輝 1,2 董國忠 1,2

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