一、問題背景
大家在使用功率模塊時，會非常關心功率模塊的結溫，而往往計算結溫的方式采用規(guī)格書中的熱阻來推算結溫。這樣帶來了一個問題是，只會采用穩(wěn)態(tài)的熱阻進行結溫推算，得到平均的結溫。而實際情況是，結溫是存在較大波動的，結溫波動與我們的封裝形式密切相關，進而影響模塊的壽命。市場中的模塊常見的有兩類無銅基板封裝和有銅基板封裝模塊，普遍認為無銅基板模塊的封裝熱阻小，散熱更好，今天我們來討論這個問題。本文以英飛凌的兩款模塊FP35R12W2T4（稱為EASY封裝）和FP35R12KT4（稱為Econo封裝）為例，它們分別代表無銅基板和有銅基板封裝模塊，進行說明封裝是如何決定熱阻、影響結溫和壽命的。這兩款模塊具有相同的拓撲、相同的芯片，在相同的外部條件下仿真，由于封裝的不同，看看熱阻是如何變化，結溫和壽命是如何變化的。下面分別是Easy和Econo封裝的。
圖2 Econo封裝
它們的結構截面如下，Easy封裝沒有銅基板，相對于Econo封裝，少2層材料
兩者有相同的拓撲，集成了逆變、整流和剎車部分
熱阻與材料層有關，材料層越小，熱阻越低。從上面的可以看出來，easy封裝的結殼Rjc熱阻會小。從下面的仿真可以知道，easy的熱阻確實低，但是結溫會低嗎？我們知道結溫最終是需要到熱沉中的，因此，這里不妨對比到散熱器的熱阻Rjh，從仿真結果可以看出，到散熱器的熱阻easy反而變大了。因此easy系列的結溫并不一定低。但是不是一定高，主要取決于損耗，因為損耗也與封裝有關。
由于Easy系列的封裝電感小，好處之一是動態(tài)損耗（Eon+Eoff）低，這里從采用相同的工況條件去仿真兩者的損耗。下面計算了一個三相逆變電路的損耗。
損耗計算結果如下：Easy封裝的損耗是37.5w，Econo封裝的損耗是40.7w。Econo系列的Rjh比Easy的Rjh小，這里主要原因是銅基板起到了熱擴散的作用，它的殼到散熱器的熱阻Rch是較小的。從上面的仿真，可以看出來，要計算結溫，至少要根據Rjh來計算穩(wěn)態(tài)溫度。從圖9、圖10的結溫波動情況來看，兩者的穩(wěn)態(tài)平均結溫接近，分別是Easy系列的平均結溫Tav=124.5℃，Econo系列的平均結溫Tav=121℃，相差不大。
五、瞬態(tài)結溫
我們仔細研究下功率模塊的瞬態(tài)熱阻曲線，它們呈現出如下變化趨勢，easy模塊的瞬態(tài)熱阻一開始Zjc高出Econo封裝的，但是達到穩(wěn)態(tài)，又明顯低于Econo模塊，這是由于封裝決定的。Easy封裝模塊的結溫波動較大，最高結溫高達136℃，Econo系列的最高結溫高達128℃，兩者相差8℃。雖然Easy的Rjc的穩(wěn)態(tài)熱阻比較小，但是瞬態(tài)結溫大，依然非常危險，使用時需要保留更大的裕量。
從下面的結溫曲線中可以初步估算出Easy系列的平均結溫Tav=124.5℃，Econo系列的平均結溫Tav=121，它們的結溫波動ΔTj=Tjmax-Tjmin，分別為19℃和10.5℃，Easy封裝的結溫波動幾乎是Econo模塊的兩倍。
功率模塊的壽命計算模型主要有圖11中的三種，不同的壽命計算模型中,關鍵的因子有平均結溫Tj和結溫波動ΔTj。
以一款IGBT產品為例，采用CIPS2008的壽命模型，壽命曲線如圖12。假設平均結溫一致的情況下，若ΔTj相差10℃，壽命相差1倍以上。
1、無基板模塊雖然熱阻Rjc低，但是由于缺乏基板作為擴散的作用，最終結溫還是偏高的，無基板模塊并不能起到提高散熱效率的作用，在使用過程中更應該關注Rjh的熱阻情況。2、無基板封裝瞬態(tài)熱阻明顯高于有銅基板的，可以看出瞬態(tài)結溫波動大小幾乎是帶銅基板的2倍，通過對功率模塊壽命初步計算，無基板封裝模塊壽命僅為銅基板模塊的50%。
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