功率模块封装的热阻、结温与寿命
MMC-HVDC系统功率器件的结温估算与寿命预测
第37卷第5期2021年5月电网与清洁能源Power System and Clean EnergyVol.37No.5May 2021——————————基金项目：南方电网公司科技项目（0100002019010706WD00026）。
Project Supported by the Science and Technology Program of ChinaSouthern Power Grid Corporation （0100002019010706WD00026）.ABSTRACT ：It is difficult to monitor the health of half-bridge power module in the flexible DC transmission system with modular multilevel structure.A real-time monitoring method of junctiontemperature and a life loss assessment method of power moduledevices are proposed in this paper.First ，the calculation method ofpower loss of the half-bridge power module is studied ，the thermal resistance model of the power device level is established ，and the real-time monitoring method of the junction temperature of the module is studied.Second ，Lesit life model and linear damage accumulation theory are used to quantitatively study the module life loss.The results show that power fluctuation is an important causeof IGBT damage.Finally ，the loading experiment of the power module is carried out ，and the simulation results of the junction temperature and life prediction method are basically consistent with the experimental results.KEY WORDS ：modular multilevel ；half-bridge power module ；junction temperature ；thermal resistance models ；life prediction摘要：柔性直流输电系统采用模块化多电平结构，半桥功率模块的寿命预测较为困难，提出了一种功率模块器件的结温实时监测方法及寿命耗损的评估方法。
功率MOSFET封装热阻测试及其优化设计
功率MOSFET封装热阻测试及其优化设计刘志红莫亭亭摘要：功率半导体器件是集成电路的重要组成部分，是电力电子技术的基础。
本文对功率MOSFET的热阻进行了测试，得到了SOP8封装的功率MOSFET器件的结壳热阻和结到环境热阻。
使用有限元热仿真分析，分析了影响SOP8热阻的因素，在分析结果基础上改善了SOP8封装的功率MOSFET器件的热阻性能。
为后续芯片封装结构优化提供参考。
关键词：封装热阻；功率器件；有限元仿真；热阻测试；结温Abstract：Power semiconductor device is an important part of integrated circuit，and it is the foundation of power electronic technology.I In this paper，the thermal resistance of power MOSFET is tested，and get the thermal resistance of junction to case and junction to ambient for SOP package.Finite element thermal simulation was used to analyze the factors affecting SOP8 thermal resistance.Based on the analysis，thermal resistance of SOP8packaged MOSFET was improved.It provides a reference for the subsequent optimization of chip packaging structure.KEY WORDS：thermal resistance of package，power device，finite element simulation，thermal resistance test，junction temperature1引言自从进入20世纪以来，人类正式迈入信息时代。
功率模块封装材料
功率模块封装材料功率模块是一种用于控制和转换电能的重要组件，广泛应用于电子设备和工业自动化领域。
功率模块的封装材料对其性能和可靠性有着重要影响。
本文将介绍几种常见的功率模块封装材料，包括陶瓷、塑料和金属。
1. 陶瓷封装材料陶瓷封装材料是一种常见的功率模块封装材料，具有优良的电绝缘性能和高温耐受性。
陶瓷材料通常具有较低的热膨胀系数，能够在高温下保持封装的稳定性。
此外，陶瓷材料还具有良好的抗腐蚀性能和机械强度，能够有效保护功率模块内部的电子元件。
2. 塑料封装材料塑料封装材料是功率模块常用的封装材料之一，主要由高分子化合物制成。
塑料材料通常具有较低的成本和较好的可加工性，可以通过注塑或挤出等工艺制作成各种形状的封装。
然而，塑料材料的导热性能相对较差，不适合高功率应用，容易造成温度过高而影响功率模块的性能和寿命。
3. 金属封装材料金属封装材料是功率模块的常见封装选择之一，主要由铝、铜等导热性能较好的金属制成。
金属封装材料具有良好的导热性能和机械强度，能够有效地传递和散发功率模块产生的热量。
此外，金属材料还具有良好的抗腐蚀性和电磁屏蔽性能，能够有效保护功率模块内部的电子元件。
4. 复合封装材料为了综合利用各种材料的优点，一些功率模块采用了复合封装材料。
复合封装材料通常由不同种类的材料组合而成，可以在满足导热性能的同时具有较好的电绝缘性能和机械强度。
例如，采用陶瓷基板与金属封装相结合，可以同时实现优良的导热性能和可靠的电绝缘性能。
功率模块封装材料的选择应根据具体应用需求来进行。
陶瓷材料适用于高温环境和对电绝缘性能要求较高的场合；塑料材料适用于低功率和低成本的应用；金属材料适用于高功率和较高可靠性要求的应用。
对于一些特殊需求，可以选择复合封装材料以获得更好的综合性能。
在功率模块设计和制造过程中，正确选择和使用封装材料是确保功率模块性能和可靠性的重要因素之一。
电机功率器件的结温估算
电机功率器件的结温估算
在电机功率器件的运行过程中，结温是一个重要的参数，它直接影响到器件的可靠性和使用寿命。
因此，估算电机功率器件的结温具有重要的意义。
本文将介绍两种估算电机功率器件结温的方法：热阻法和有限元法。
1.热阻法
热阻法是一种基于热阻网络模型估算电机功率器件结温的方法。
该方法将电机功率器件视为一个热阻网络，由半导体材料、绝缘材料和金属材料等组成。
通过测量各部分热阻，可以估算出器件的结温。
热阻法的优点是简单、快速、易于实现。
但是，该方法假设电机功率器件的热阻为线性，忽略了器件内部复杂的热流和热阻分布，因此估算结果可能存在误差。
2.有限元法
有限元法是一种基于数值模拟的估算电机功率器件结温的方法。
该方法通过建立电机功率器件的三维有限元模型，模拟器件内部的热流和温度分布，从而得到器件的结温。
有限元法的优点是精度高、适用范围广，可以考虑到电机功率器件内部复杂的热流和热阻分布。
但是，该方法需要较长时间的计算和建模，对于实时控制和保护系统的设计可能存在一定的挑战。
结论
本文介绍了两种估算电机功率器件结温的方法：热阻法和有限元法。
热阻法简单、快速、易于实现，但忽略了器件内部复杂的热流和热阻分布，估算结果可能存在误差；有限元法精度高、适用范围广，但需要较长时间的计算和建模。
在实际应用中，应根据具体需求选择合适的估算方法。
关于热阻设计参考
80
10
1250
1560
53
335
420
95
26
1050
1315
43
390
490
100
26
1000
1250
21
555
690
70
11
1425
1785
33
450
565
90
22
1110
1385
13
685
860
65
8
1535
1920
28
625
780
50
12
2000
2500
9
1330
1665
45
5
2220
2775
[Ψjt 计算公式]
jt
Tj Ta TC1 K VF Ta
VH IH
VH IH
[用语说明] VH：加在 TEG 芯片内部电阻的电压 IH：稳定时在 TEG 芯片内部电阻流动的电流
TC1 [℃／Ｗ] VF
VF 0 VFSS
Ver.2013-07-23
-4-
关于热阻
[最大容许功率 Pd] IC 在常温(25℃以下)时的最大容许损失是用各 IC 的绝对最大定额消耗功率(Pd)来规定的。 环境温度超过 25℃时，就需变为对应各 IC 封装的热下降曲线(Derating Curve)。 以下显示的是一般的热下降曲线。
＋
芯片抽象图
等价电路图
図 3 测量电路板概略图
[Ｋ系数]
为了求热阻，就必须要知道结温，但是又不能直接测量结温。
可是，利用结温和二极管順方向电压(VF)的温度依赖关系，可以得知结温。 VF 是温度的一次性函数，它的倾斜率称作 K 系数。
IGBT 功率模块封装失效机理及监测方法综述
1 引言2060 年中国将实现“碳中和”的目标，高效利用绿色能源是实现这一目标的重要途径。
功率模块是实现绿色能源转换的重要部件，绝缘栅门极晶体管( Insulated Gate Bipolar Translator，IGBT) 作为使用频率最高的电源转换芯片，是出现故障频率最高的器件，其失效机理及检测方式被大量研究。
可靠的封装为芯片工作提供稳定的电气连接、良好的绝缘性能和充分的抗干扰能力，是IGBT 功率模块可靠性的重要组成部分。
现在被主流使用的封装形式有焊接型和压接型封装。
两种封装结构在功率密度、串并联能力、制造费用、封装可靠性和散热能力等方面有所不同，其性能对比如图 1 所示。
由于压接型封装具有双面冷却和失效自短路效应，其在散热、可靠性及串联能力上优于焊接型封装，因此被广泛用于高功率密度场合，如高压电网和高功率机械设备，但封装复杂笨重。
焊接型封装结构因其制造工艺简单、成本低和并联能力强被广泛使用在中低功率密度场合，如消费电子、汽车电子。
两种封装结构导致了不同的失效机理，但其本质多是IGBT 芯片工作产生的热量未即时耗散，引起温度梯度，最终导致的封装材料疲劳致使失效。
因此，本文首先对两种IGBT 功率模块封装结构及失效机理进行阐述，然后对IGBT 功率模块封装失效监测方法进行了分析，最后提出IGBT 功率模块封装可靠性及失效监测存在的问题和发展方向。
2 IGBT 功率模块封装结构及失效机理2. 1 焊接型IGBT 功率模块封装结构及失效机理2. 1. 1 焊接型IGBT 功率模块封装结构自1975 年，焊接型IGBT 功率模块封装被提出，便被广泛使用，其典型封装结构如图 2 所示。
其中，直接覆铜陶瓷板( Direct Bonded Copper，DBC)由上铜层、陶瓷板和下铜层组成，其一方面实现对IGBT 芯片和续流二极管的固定和电气连接，另一方面形成了模块散热的主要通道。
欲加入IGBT交流群，加VX：tuoke08。
IGBT模块功率循环疲劳寿命预测
IGBT模块功率循环疲劳寿命预测姚二现;庄伟东;常海萍【摘要】随着IGBT功率模块的广泛应用,其功率循环可靠性问题得到关注和重视.介绍了模块的功率循环失效机理,指出铝键合线剥离是模块功率循环失效的原因;基于有限元法计算了模块在功率循环过程中的温度分布与变化,并在此基础上计算了模块的应力应变:根据应力应变数值的计算结果,分别采用应变能法和应变法等两种疲劳破坏准则,预测了键合线疲劳寿命.研究表明,铝键合线根部为模块的疲劳危险区:随着芯片热损耗的增加,芯片结温变化幅度的增加,功率模块疲劳寿命急剧地减小.【期刊名称】《电子产品可靠性与环境试验》【年(卷),期】2013(031)002【总页数】6页(P12-17)【关键词】功率循环;铝键合线;有限元法;疲劳寿命【作者】姚二现;庄伟东;常海萍【作者单位】南京航空航天大学能源与动力学院江苏南京210015【正文语种】中文【中图分类】TN4070 引言IGBT功率模块的封装正朝着低成本、小尺寸、高性能以及高可靠性发展。
丝键合工艺是最早发展起来的、用于芯片与外界互连的技术；由于采用丝键合工艺可以通过改变连接线弧的形状和距离，使多种器件能使用同一基板和外壳，现在仍在模块封装工艺中占绝对的统治地位。
常用的键合线材料有金、铜和铝3种，由于成本优势，铝是普遍应用的键合线材料。
据统计，引线键合造成的失效占到半导体器件的失效的49%[1]，可见键合线的可靠性对整个模块的可靠性的影响是非常关键的。
对功率模块铝键合线可靠性，国内外目前的研究不多，Ramminger[2]等从引线键合工艺产生的机械应力的角度讨论了铝线的引脚跟断裂问题，分析了热膨胀系数失配对失效的影响，并从断裂力学的角度提出了应变能破坏准则来确定裂纹扩展方向。
Koji Sasaki与 Naoko Iwasa[3]利用裂纹张开位移（COD）研究了二维状态下键合线的裂纹扩展寿命。
铝键合线功率循环寿命可根据疲劳破坏进程分为3个阶段：裂纹萌生、裂纹扩展和失稳剥离。
功率VDMOS器件封装热阻及热传导过程分析
功率VDMOS器件封装热阻及热传导过程分析高巍;殷鹏飞;李泽宏;张金平;任敏【摘要】热阻是反映电子器件结温的关键热参数,也是指导用户在复杂应用环境中设计热特性的关键参数.本文研究了ITO-220AB封装器件由内至外不同分层材料特性对于器件热阻及热传导的影响.通过测量四种规格VDMOS器件结到环境热阻(Rthj-a)及结到管壳热阻(Rthj-c),并采用结构函数分析法,分析热量从芯片到管壳外的热传导过程发现,随着芯片面积的增大,热阻线性减小,利于器件散热;芯片与框架间过厚的焊锡层非常不利于热量的传导;铜框架厚度间接影响了外部包裹树脂厚度,从而改变了树脂所占器件热阻Rthj-c的比例,树脂材料越厚,器件热阻会明显增大.【期刊名称】《电子元件与材料》【年(卷),期】2018(037)007【总页数】6页(P29-34)【关键词】热阻;结温;VDMOS;ITO-220AB;热传导;焊锡【作者】高巍;殷鹏飞;李泽宏;张金平;任敏【作者单位】电子科技大学电子科学与工程学院, 四川成都 610054;电子科技大学电子科学与工程学院, 四川成都 610054;电子科技大学电子科学与工程学院, 四川成都 610054;电子科技大学电子科学与工程学院, 四川成都 610054;电子科技大学电子科学与工程学院, 四川成都 610054【正文语种】中文【中图分类】TN305.94功率VDMOS器件被广泛应用于电子电力、微波通信以及军事国防等领域,是中小功率领域内主流的半导体开关器件。
随着功率VDMOS器件的发展,工作电流不断增加,开关频率逐渐增大,对于器件发热的控制及传导的分析变得越来越重要。
热因素可导致接近60% 的器件损坏且工作温度每上升10℃,器件损坏的概率就增大了接近两倍[1]。
因此获得器件封装内部的热传导过程以及结温的准确信息,对提高器件工作性能、可靠性和改善封装热设计就变得非常重要[2-3]。
现在国内外对于功率器件如MOSFET、IGBT等的热阻研究有很多[4-6],但是,大部分主要集中在器件整体封装热阻值的测试方法及不同材料接触界面分层热阻,进而考虑器件热阻值对产品可靠性的影响。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
功率模块封装的热阻、结温与寿命
一、问题背景
大家在使用功率模块时，会非常关心功率模块的结温，而往往计算结温的方式采用规格书中的热阻来推算结温。
这样带来了一个问题是，只会采用稳态的热阻进行结温推算，得到平均的结温。
而实际情况是，结温是存在较大波动的，结温波动与我们的封装形式密切相关，进而影响模块的寿命。
市场中的模块常见的有两类无铜基板封装和有铜基板封装模块，普遍认为无铜基板模块的封装热阻小，散热更好，今天我们来讨论这个问题。
二、封装介绍
本文以英飞凌的两款模块FP35R12W2T4（称为EASY封装）和FP35R12KT4（称为Econo封装）为例，它们分别代表无铜基板和有铜基板封装模块，进行说明封装是如何决定热阻、影响结温和寿命的。
这两款模块具有相同的拓扑、相同的芯片，在相同的外部条件下仿真，由于封装的不同，看看热阻是如何变化，结温和寿命是如何变化的。
下面分别是Easy和Econo封装的。
图1 Easy封装
图2 Econo封装
它们的结构截面如下，Easy封装没有铜基板，相对于Econo封装，少2层材料
图3 Easy封装的横截面
图4 Econo封装的横截面
两者有相同的拓扑，集成了逆变、整流和刹车部分。
图 5 拓扑结构
三、热阻相关
热阻与材料层有关，材料层越小，热阻越低。
从上面的可以看出来，easy封装的结壳Rjc热阻会小。
从下面的仿真可以知道，easy的热阻确实低，但是结温会低吗？我们知道结温最终是需要到热沉中的，因此，这里不妨对比到散热器的热阻Rjh，从仿真结果可以看出，到散热器的热阻easy反而变大了。
因此easy系列的结温并不一定低。
但是不是一定高，主要取决于损耗，因为损耗也与封装有关。
图6 结壳Rjc热阻比较
图7 结散热器热阻Rjh对比
四、损耗与稳态结温计算
由于Easy系列的封装电感小，好处之一是动态损耗（Eon+Eoff）低，这里从采用相同的工况条件去仿真两者的损耗。
下面计算了一个三相逆变电路的损耗。
表1 损耗计算条件
图8 损耗计算电路
损耗计算结果如下：Easy封装的损耗是37.5w，Econo封装的损耗是40.7w。
Econo系列的Rjh比Easy的Rjh小，这里主要原因是铜基板起到了热扩散的作用，它的壳到散热器的热阻Rch是较小的。
从上面的仿真，可以看出来，要计算结温，至少要根据Rjh来计算稳态温度。
从图9、图10的结温波动情况来看，两者的稳态平均结温接近，分别是Easy系列的平均结温Tav=124.5℃，Econo系列的平均结温Tav=121℃，相差不大。
表2 损耗计算结果
五、瞬态结温
我们仔细研究下功率模块的瞬态热阻曲线，它们呈现出如下变化趋势，easy模块的瞬态热阻一开始Zjc高出Econo封装的，但是达到稳态，又明显低于Econo模
块，这是由于封装决定的。
Easy封装模块的结温波动较大，最高结温高达136℃，Econo系列的最高结温高达128℃，两者相差8℃。
虽然Easy的Rjc的稳态热阻比较小，但是瞬态结温大，依然非常危险，使用时需要保留更大的裕量。
从下面的结温曲线中可以初步估算出Easy系列的平均结温Tav=124.5℃，Econo 系列的平均结温Tav=121，它们的结温波动ΔTj=Tjmax-Tjmin，分别为19℃和10.5℃，Easy封装的结温波动几乎是Econo模块的两倍。
图9 Easy封装的结温情况
图10 Econo封装的结温情况
六、结温波动对寿命的影响
功率模块的寿命计算模型主要有图11中的三种，不同的寿命计算模型中,关键的因子有平均结温Tj和结温波动ΔTj。
图11 功率模块寿命计算模型
以一款IGBT产品为例，采用CIPS2008的寿命模型，寿命曲线如图12。
假设平均结温一致的情况下，若ΔTj相差10℃，寿命相差1倍以上。
图12 CIPS2008的寿命计算模型
七、总结
1、无基板模块虽然热阻Rjc低，但是由于缺乏基板作为扩散的作用，最终结温还是偏高的，无基板模块并不能起到提高散热效率的作用，在使用过程中更应该关注Rjh的热阻情况。
2、无基板封装瞬态热阻明显高于有铜基板的，可以看出瞬态结温波动大小几乎是带铜基板的2倍，通过对功率模块寿命初步计算，无基板封装模块寿命仅为铜基板模块的50%。