电子设备热设计- 电子设备的组合传热模式

一、电子设备的组合传热模式

尽管我们已经详细介绍了三种传热模式，但在实际工程中，我们通常会看到三种模式同时结合的情况。例如，在计算机芯片中，热量以平行路径从结传导到外壳和引线。然后，热量从引线传导到电路板，并从外壳传导到散热器。同时，导线和散热器中的热量被对流到空气中并辐射到周围环境中。

如下图所示三种模式下用于传热和热阻的方程。

解决组合模式问题的最简单方法是建立电阻网络。通过这种方式，我们可以图形化地检查同时、并联和串联传热的每种模式的路径。

当热量通过单一材料的单个壁传导时，热传导速率和热梯度是恒定的。然而，当热量在不同材料的串联路径中传导时，每种材料的温度梯度都不同。检查三种材料串联的复合墙，如下图所示。

对于更常见的串联和并联热流组合问题，如下图所示，通过由串联和并联热流路径组成的壁的热传导，我们可以看到并联材料的热阻。

在涉及传导和对流串联传热模式的电子冷却问题中，如下图所示，电子模块中的传导和对流。硅芯片封装在环氧泡沫绝缘体外壳中。大部分的热传递是通过模具表面进行的。所以当我们知道热耗率时，我们通常必须确定设备的温度升高。

二、大功率IGBT模块DBC衬底的热仿真分析

IGBT功率模块是电子产品的基础部件之一，在工业电子升级过程中发挥着至关重要的作用。它被认为是电力电子行业的CPU。IGBT结合了GTR和功率MOSFET的优点。IGBT功率模块是电力系统的核心部件，其性能对应用系统有着至关重要的影响。影响功率模块性能和应用的因素包括：功率密度、功率损耗、运行速度、可靠性、使用寿命、体积、重量和成本等，主要取决于芯片技术和封装理念、技术和制造工艺。

由于功率半导体器件处于工作状态，芯片流过数百安培的电流。为了降低传导损耗，采用低电阻率、高热循环、高可靠性的直接键合铜来取代过去的厚膜技术。IGBT功率模块采用DBC基板，减少了模块内部引线的数量，减小了模块的体积，促进了芯片的散热，提高了功率模块的可靠性。

IGBT功率模块将IGBT芯片和二极管芯片封装在多层系统中。整体结构为功率模块提供了外部电路的电连接、良好的热扩散路径和稳定的机械结构。IGBT功率模块的封装结构如下图所示。

它是一种类似的三明治式包装结构。IGBT功率模块包含芯片、焊料层、MoCu层、DBC基板和模塑化合物等。芯片由纳米银烧结在底部DBC基板的铜层上。烧结层提供芯片、DBC基板和模块外部之间的电连接。

某型号对称结构的双面散热IGBT模块如下图所示。

重新设计了原型号的DBC衬底结构：不对称结构的大功率双面散热IGBT模块，减少了DBC衬底的顶部几何形状；去除了顶部DBC基板的高功率单面散热IGBT模块。如下图所示，不对称结构双面散热IGBT功率模块的三维模型和单面散热IGBT功率模块的三维模型。

利用ANSYS有限元软件和传热理论对不同结构的IGBT功率模块进行了仿真分析，IGBT模块在稳态下运行的温度场分布如下图所示。

总体而言，IGBT模块的内部温度分布不均匀，因为IGBT模块中材料的热导率不同，并且受到热耦合的影响，尤其是在芯片区域。因此，我们应该合理设计模块芯片的整体布局，以减少热耦合对IGBT模块的影响。FRD芯片的温度明显低于IGBT芯片的温度，这证明当外部条件一致时，芯片的温度随着功率的增加而增加。

IGBT模块DBC基板的温度分布如下图所示。

对称双面散热IGBT模块DBC基板的温度分布

不对称双面散热IGBT模块DBC衬底的温度分布

单面散热IGBT模块DBC衬底的温度分布

对于具有双面散热结构的IGBT功率模块，芯片是中心，芯片的大部分热量通过焊料层、MoCu层和两个DBC衬底纵向导热；热量的一小部分是横向传导的。与对称结构IGBT模块的DBC衬底相比，非对称结构IGBT组件的DBC基板的温度略低。

综上所述，对于中小功率IGBT模块，在单面散热满足其导热性、可靠性和稳定性的前提下，选择单面散热结构。对于大功率IGBT模块，单面散热结构无法满足IGBT模块在相同工作条件下的要求。在这种情况下，IGBT模块需要选择双面散热结构。推荐采用不对称结构的双面散热IGBT模块。

文章来源CAE工程师笔记