热学特性是功率器件的灵魂! 芯片工作产生的热量通过不同的介质、界面传递到散热器，将热量散出，传递路径的热阻用Rthjc来表示。

Note：

1）芯片面积越大，热阻越小；

2）热阻并非恒定值，受脉宽、占空比等影响；

3）对于新能源汽车直接冷却，热阻受冷却液流速的影响；

对于模组来讲，技术迭代主要围绕封装和连接。目前电机逆变器中IGBT模块普遍采用铜基板，上面焊接覆铜陶瓷板（DBC，DirectBond Copper），IGBT 及二极管芯片焊接在DBC板上，芯片间、芯片与DBC板、芯片与端口间一般通过铝绑线来连接，而基板下面通过导热硅脂与散热器连接进行水冷散热。模组封装和连接技术始终围绕基板、DBC板、焊接、绑定线及散热结构持续优化。

1）芯片间连接方式：铝线/铝带→铜线→平面式连接。

目前IGBT芯片之间大多通过铝线进行焊接，但线的粗细限制了电流强度，需要并联使用、或者改为铝带连接，但是铝质导线由于材料及结构问题易产生热疲劳加速老化断裂导致模块失效。

因此，Danfoss等厂商引入铜导线来提高电流容纳能力、改善高温疲劳性能，三菱电机、德尔福及赛米控则分别采用CuLead Frame（引线框架）、对称式的DBC板及柔性电路板实现芯片间的平面式连接，并与双面水冷结构相结合进一步改善散热，维持模块的稳定性。

2）散热结构：单面间接散热→单面直接水冷→双面水冷结构。

最初的间接散热结构是将基板与散热器用导热硅脂进行连接，但导热硅脂散热性较差，根据Semikron公司的《功率半导体应用手册》，贡献了芯片到散热器之间50%以上的热阻。

单面直接水冷结构在基板背面增加针翅状（PinFin）散热结构，无需导热硅脂，直接插入散热水套中，热阻可降低40%以上。富士的第三代单面直接水冷结构则将基板散热针翅与水套实现一体化，进一步降低30%的热阻。目前英飞凌HP2/HPDrive、三菱电机J1系列、比亚迪V-215/V-315等主流汽车IGBT模块均采用单面直接水冷结构。

目前双面水冷的结构也开始逐步应用广泛，普遍在芯片正面采用平面式连接并加装Pin-Fin结构实现双面散热，目前代表性的应用包括InfineonHP DSC 模块、德尔福Viper模块（雪佛兰Volt）及日立的双面水冷模块（奥迪e-tron）。

3）DBC板及基板：材料迭代

未来DBC板的材料由Al2O3→AlN→Si3N4迭代，基板材料由Cu向AlSiC迭代。

基板与DBC 板材料、以及DBC板与Si基芯片之间膨胀系数的差异决定了在大的温度变化时连接层是否会出现变形和脱落。DBC板材料需要重点考虑与Si基芯片热膨胀系数的匹配因素，其次考虑是否具备高热导率，目前应用最广的Al2O3陶瓷材料热导率较低、且与芯片的膨胀系数差异较大，局限性很明显，AlN、Si3N4凭借与Si材料更为接近的热膨胀系数、更高热导率开始逐步导入，比如德尔福Viper模块应用AlN陶瓷材料。

基板与散热器直接相连，需要重点考虑热导率，其次考虑与芯片、DBC之间热膨胀系数的匹配，目前常用铜基板来实现快速散热，而AlSiC热导率虽不如铜，但热膨胀系数更接近芯片及DBC，能够有效改善模块的热循环能力，渗透率快速提升。另外有部分厂商直接采取无基板的设计策略，比如赛米控汽车级功率模块SkiM直接将DBC通过高性能导热硅脂直接压在散热器上，配合银烧结技术最终将其温度循环能力提高15倍。

4）芯片、DBC板以及基板间连接方式：SnAg焊接→SnSb焊接、Ag/Cu烧结

目前芯片之间的绑定线、芯片与DBC板及DBC板与基板间的连接普遍通过SnAg焊接的方式，但温度循环产生应力容易导致DBC板和散热基板之间焊接层出现裂缝，焊接老化也会引起芯片温度上升，最终影响模块的寿命。

因此SnSb焊接、低温银烧结、铜烧结等技术逐步引入，比如富士电机车载IGBT模块在DBC和基板之间采用SnSb焊接代替SnAg焊接抑制裂痕扩展。

Semikron的SKiN技术采用Ag烧结，日立汽车功率模块采用Cu烧结，实现稳定的连接、更优的温度特性更长的寿命。

其中，根据Semikron官网，Ag烧结层厚度比焊接层至少薄70%，热导率提升3倍，热阻减小为1/15，但成本较高，Cu烧结的抗电子迁移能力及热循环能力更好，成本相较于Ag也明显降低，但烧结易出现氧化，对模块厂商的技术能力要求非常高。

随着现代电子技术的进步与发展，电子产品的发展趋向于微型化和密集化，电子器件的功率计散热要求也随之增加。电子器件工作时散发的热量如不能及时导出，会严重影响电子器件的性能和寿命。目前 IGBT 功率器件上广泛使用以导热硅脂、导热相变材料等导热界面材料（Thermal Interface Materials，TIM），以填充安装面与器件散热面之间的间隙，避免高温对器件的影响。

根据 IGBT 热传导示意图所示，芯片内损耗产生的热能通过芯片传到外壳底座，再由外壳将少量的热量直接传到环境中去（以对流和辐射的形式），而大部分热量通过底座经绝缘垫片直接传到散热器，最后由散热器传入空气中。

从芯片至环境的总热阻由三部分组成，即芯片至管壳的结壳热阻 Rj-c，管壳至散热器的接触热阻 Rc-s，散热器至环境的散热器热阻 Rs-a，总热阻由下式计算：

Rj-a=Rj-c+Rc-s+Rs-a由此可见，结壳热阻 Rj-c 和散热器热阻 Rs-a 是由 IGBT 自身结构以及功率器件整体散热方案决定的，导热材料的作用在于减小接触热阻 Rc-s，进而降低整体散热的总热阻。

大部分的IGBT功率模块的失效原因都与热量有关，因此，可靠的热管理是保障IGBT长期使用的当务之急。功率器件与散热器之间存在的空气间隙会产生非常大的接触热阻，显著增大两个界面之间的温差。为了确保IGBT模块高效、安全和稳定地工作，对其热管理技术也是新型产品设计和应用的最重要环节。

在 IGBT 的热传导中，主要热量依靠 IGBT 散热面与散热器表面的金属接触来传递，常用铜或铝作为基底材料。由于接触面间的不平整度使间隙中存有一定空气，而空气的热导率仅为 0.025 W/（m·K），因此严重阻碍了热传导。若将导热材料先涂覆至 IGBT 散热面表面，在装配及螺钉紧固力的作用下，挤出接触面间的空气并将间隙填充，导热材料的热导率一般在 0.8-4 W/（m·K）之间，其热导率是空气的 32-160 倍，虽然主要的热传导仍是由金属之间的热传导完成，但能够较好地改善接触面间的热流传递情况，减小热阻，提高散热效率。

随着IGBT向高功率和高集成度方向发展，对TIM提出了更高的要求，如低热阻及长期使用的可靠性。合理的选择TIM，不仅要考虑其热传导能力，还要兼顾生产中的工艺、维护操作性及长期可靠性。

导热界面材料可有效帮助功率模块实现散热，延长使用寿命。目前 IGBT 散热使用的导热材料主要是导热硅脂、相变导热材料。中低端IGBT采用的是普通硅脂和高性能硅脂，高端IGBT则采用相变化材料。

导热硅脂（又称散热膏）因其表面润湿性好，接触热阻低，最早作为TIM 应用在IGBT 模块，是一种膏状的热界面导热材料，以有机硅酮为主要原料，添加耐热、导热性能优异的材料而制成的导热型有机硅脂状复合物，具有低油离度、耐高低温、耐水、臭氧、耐气候老化等特性，可在 -50 ℃ 至 +230 ℃ 的温度下保持使用时的脂膏状态。不过导热硅脂在使用 1-2 年后会出现性能下降的问题。

为保证导热硅脂均匀的分布在 IGBT 上，涂覆工艺至关重要，影响实际应用的导热性能。目前 IGBT 导热硅脂涂覆工艺有滚筒印刷和丝网印刷，相比于滚筒印刷，丝网印刷能够更好的控制IGBT上导热硅脂的厚度均匀度，提高 IGBT 的散热效果和使用寿命。

相变导热材料也称相变导热膏，是利用聚合物技术以高性能的有机高分子材料为主体，以高导热性材料、相变填充料等材料为辅精制而成的绝缘材料，适用于散热器与各种产生高热量功率元器件间的热量传递。

相变导热材料的关键性能是其相变特性，在室温下材料为固体，并且便于处理，可以将其作为干垫清洁而坚固地用于散热片或器件的表面。当达到器件工作温度时相变材料变软，在压紧力的作用下材料就像热滑脂一样与两个配合表面整合、填充间隙。这种完全填充界面气隙和器件与散热片间空隙的能力，可以使相变材料提前涂覆，便于运输和安装，并且获得类似于热滑脂的性能。

此外，相变导热材料另一大优势在于其稳定性与耐久性，能够在长时间热循环和 HAST 试验后依然保持杰出的热稳定特性，并且其热阻表现为降低趋势。因此相比于导热硅脂，相变导热材料除成本较高外，其耐久性、导热性均较好，有助于提升 IGBT 这类电子器件装配的整体耐久性。

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