一、問(wèn)題背景
大家在使用功率模塊時(shí)，會(huì)非常關(guān)心功率模塊的結(jié)溫，而往往計(jì)算結(jié)溫的方式采用規(guī)格書(shū)中的熱阻來(lái)推算結(jié)溫。這樣帶來(lái)了一個(gè)問(wèn)題是，只會(huì)采用穩(wěn)態(tài)的熱阻進(jìn)行結(jié)溫推算，得到平均的結(jié)溫。而實(shí)際情況是，結(jié)溫是存在較大波動(dòng)的，結(jié)溫波動(dòng)與我們的封裝形式密切相關(guān)，進(jìn)而影響模塊的壽命。市場(chǎng)中的模塊常見(jiàn)的有兩類(lèi)無(wú)銅基板封裝和有銅基板封裝模塊，普遍認(rèn)為無(wú)銅基板模塊的封裝熱阻小，散熱更好，今天我們來(lái)討論這個(gè)問(wèn)題。本文以英飛凌的兩款模塊FP35R12W2T4（稱(chēng)為EASY封裝）和FP35R12KT4（稱(chēng)為Econo封裝）為例，它們分別代表無(wú)銅基板和有銅基板封裝模塊，進(jìn)行說(shuō)明封裝是如何決定熱阻、影響結(jié)溫和壽命的。這兩款模塊具有相同的拓?fù)洹⑾嗤男酒?，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(jié)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(jié)構(gòu)截面如下，Easy封裝沒(méi)有銅基板，相對(duì)于Econo封裝，少2層材料
兩者有相同的拓?fù)?，集成了逆變、整流和剎車(chē)部分
熱阻與材料層有關(guān)，材料層越小，熱阻越低。從上面的可以看出來(lái)，easy封裝的結(jié)殼Rjc熱阻會(huì)小。從下面的仿真可以知道，easy的熱阻確實(shí)低，但是結(jié)溫會(huì)低嗎？我們知道結(jié)溫最終是需要到熱沉中的，因此，這里不妨對(duì)比到散熱器的熱阻Rjh，從仿真結(jié)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(jié)溫并不一定低。但是不是一定高，主要取決于損耗，因?yàn)閾p耗也與封裝有關(guān)。
四、損耗與穩(wěn)態(tài)結(jié)溫計(jì)算由于Easy系列的封裝電感小，好處之一是動(dòng)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(jì)算了一個(gè)三相逆變電路的損耗。
損耗計(jì)算結(jié)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(kuò)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(lái)，要計(jì)算結(jié)溫，至少要根據(jù)Rjh來(lái)計(jì)算穩(wěn)態(tài)溫度。從圖9、圖10的結(jié)溫波動(dòng)情況來(lái)看，兩者的穩(wěn)態(tài)平均結(jié)溫接近，分別是Easy系列的平均結(jié)溫Tav=124.5℃，Econo系列的平均結(jié)溫Tav=121℃，相差不大。
五、瞬態(tài)結(jié)溫
我們仔細(xì)研究下功率模塊的瞬態(tài)熱阻曲線(xiàn)，它們呈現(xiàn)出如下變化趨勢(shì)，easy模塊的瞬態(tài)熱阻一開(kāi)始Zjc高出Econo封裝的，但是達(dá)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(jié)溫波動(dòng)較大，最高結(jié)溫高達(dá)136℃，Econo系列的最高結(jié)溫高達(dá)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(jié)溫大，依然非常危險(xiǎn)，使用時(shí)需要保留更大的裕量。
從下面的結(jié)溫曲線(xiàn)中可以初步估算出Easy系列的平均結(jié)溫Tav=124.5℃，Econo系列的平均結(jié)溫Tav=121，它們的結(jié)溫波動(dòng)ΔTj=Tjmax-Tjmin，分別為19℃和10.5℃，Easy封裝的結(jié)溫波動(dòng)幾乎是Econo模塊的兩倍。
六、結(jié)溫波動(dòng)對(duì)壽命的影響功率模塊的壽命計(jì)算模型主要有圖11中的三種，不同的壽命計(jì)算模型中,關(guān)鍵的因子有平均結(jié)溫Tj和結(jié)溫波動(dòng)ΔTj。
以一款I(lǐng)GBT產(chǎn)品為例，采用CIPS2008的壽命模型，壽命曲線(xiàn)如圖12。假設(shè)平均結(jié)溫一致的情況下，若ΔTj相差10℃，壽命相差1倍以上。
1、無(wú)基板模塊雖然熱阻Rjc低，但是由于缺乏基板作為擴(kuò)散的作用，最終結(jié)溫還是偏高的，無(wú)基板模塊并不能起到提高散熱效率的作用，在使用過(guò)程中更應(yīng)該關(guān)注Rjh的熱阻情況。2、無(wú)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(jié)溫波動(dòng)大小幾乎是帶銅基板的2倍，通過(guò)對(duì)功率模塊壽命初步計(jì)算，無(wú)基板封裝模塊壽命僅為銅基板模塊的50%。
投稿作者：Paul，高級(jí)研發(fā)工程師。
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