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

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損耗和靜態(tài)損耗及EMI特性。設計中的機械變化處理機械強度的改善。機械設計也是改善模塊的熱性能的關鍵。

這三個主題中有一個值得注意的差別。功率模塊總體結構的電氣調整和內部改善都由半導體制造商完成。然而，熱方面主要取決于在用戶現(xiàn)場的安裝。添加的導熱材料及其本身的應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、模塊與相應的散熱器之間的互連以及在最終逆變器預測壽命內隨后產生的熱機械效應。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

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。功率半導體的內部結構包括一個由不同材料制成的復合體，這些材料具有不同的熱膨脹系數(shù)(CTE)。結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生的核心原因。由于這種構造在冷卻時會卸壓，所以其效應隨著每一個熱循環(huán)反復產生。

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)化必須考慮生產時的初始形狀、預成形和受熱過程。設計目標是增加最終設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：基板和標定的DCB的位置

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

試驗臺和實驗結果

試驗系統(tǒng)包括一個功率模塊，安裝在一個采用強制風冷的適當?shù)纳崞魃稀ＹN裝根據(jù)相應應用說明中的建議進行。模塊內的所有IGBT芯片被激活并彼此串聯(lián)，以分別實現(xiàn)均勻的電流分擔和均勻的升溫過程。以這種方法，功率模塊內的溫度分布與實際應用密切相關，從而獲得可靠的實驗結果。由于觀察的泵出效應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，可觀察這種設置。實驗室中采用的設置如圖3所示。

圖3：評估由熱引起的泵出效應的試驗臺

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方可達到可能的最佳結果。