焊接型大功率IGBT模块的内部由多个IGBT芯片经芯片焊接、引线键合、基板和母排焊接等并联组成。在封装过程中，不同的封装工艺、材料选择以及焊接技术都会影响模块的热特性，进而影响到器件的性能与稳定性。

 

由于IGBT模块结构的特殊性，用普通的方法很难十分准确地分析出IGBT模块内部每层结构的热特性。为了解决这一问题，研究团队采用结构函数方法，分析从发热源到模块环境的热流路径上的所有热容与热阻分布情况，并分析IGBT模块各个物理层的热占比，为封装工艺和材料的改进提供数据支撑。

 

对IGBT模块的内部热特性进行测量

 

研究团队使用Simcenter T3STER热瞬态测试仪对IGBT模块进行测量，Simcenter T3STER 符合JEDEC51-1和JEDEC 51-14测试标准，专门用于IGBT等器件的热瞬态测试和热分析。

 

 

Simcenter T3STER SI热瞬态测试仪

 

热瞬态测试流程如下：

 

1. K系数测试：将IGBT模块中集电极和发射极之间的电压Vce作为温敏参数（TSP），进行K系数校准测试，建立结温与电压之间的关系。

 

2. 热瞬态双界面测试：通过功率跳变和实时采集电压（结温）随着时间变化的曲线，测试出瞬态温度响应曲线；根据JEDEC标准JESD51-14中定义的瞬态双界面测试法，采用两种不同的冷却条件进行两次测量，用于测得器件的结壳热阻。

 

3. 生成结构函数：经过软件处理，热瞬态测试结果转变为结构函数。结构函数是热流传导路径上的热阻和热容的图形化展示。通过结构函数，可以读取每一层封装材料（从结到环境）的详细热信息。

 

如果您想了解如何解读结构函数，以及瞬态双界面测试法的更多信息，请点击链接进行延伸阅读：

如何利用结构函数识别器件的结构及封装内部缺陷
采用热瞬态测试界面法测试70μm Ga2O3肖特基势垒二极管，成功验证热性能

 

结构函数曲线分层信息提取

 

IGBT模块可分为芯片、衬板焊层、衬板、基板焊层、基板5层，由于基板焊层同时为衬板所用，又可分为正面铜层、绝缘层、背部铜层。模块剖面图见下图。

 

(a) 衬板单元剖面图

 

 

 

(b) 模模块纵向剖面图图

 

结构函数曲线上斜率接近的曲线段近似为同种材质；若曲线出现拐点，则表明两曲线段为不同材质，且拐点位置即为不同材质的交接点。

 

通过结构函数分析可以确认IGBT模块内部结构材料的分层位置，同时反映各层的热阻、热容信息。

 

 

IGBT各层材料的热阻和热容分布结构函数曲线

 

从IGBT模块封装内部的散热结构可知，底壳（即基板）与外部散热器间的接触热阻将近占整个IGBT模块封装热阻的50%，因此改善此处焊接层质量对优化IGBT模块热特性将非常重要。

 

数据分析

 

选取同一型号4个IGBT模块用上述方法对其进行热阻抗测试，并用结构函数曲线反映出模块从芯片到散热器的热流通路上累计的热阻、热容信息，如下表所示。

 

不同材质IGBT模块的分层信息

 

通过数据分析可得，所测试IGBT模块的热特性为：

 

（1）芯片的热阻在整个结壳热阻中的比重约为5%；

（2）在使用不同的焊料进行真空焊接时IGBT热特性有较大差异，但焊料热阻在结壳热阻中的比重均约为2%；

（3）工艺改进对衬板热阻有较大影响，衬板热阻在结壳热阻中的比重约为23%；

（4）基板的形状和拱度对模块热阻影响明显，改善基板制造工艺可减小模块热阻。因此，可通过改善衬板、基板焊层及基板材质和焊接工艺减小模块结壳热阻。

 

结论

 

通过热瞬态测试和结构函数分析，可以获得IGBT模块内部各个物理层的热特性参数，分析IGBT模块各个物理层的热占比。

研究发现衬板热阻在结壳热阻中的比重约为23%以上，同时发现，封装材料的性能对IGBT模块的热特性影响较大。由此可获得减少IGBT模块热阻的有效途径，即在IGBT模块制造过程中通过改善衬板、基板焊层及基板材质和焊接工艺进一步减小模块结壳热阻。

 

注：Simcenter T3STER现已全新升级为Simcenter T3STER SI，带来更出色的测试性能与操作体验。如果您正在寻找更高效可靠的热测试方案，欢迎咨询上海坤道SimuCAD获取更多信息（021-62157100）。

 

论文来源：大功率变流技术 作者：株洲中车时代电气股份有限公司 李炘，周望君，奉琴，王贤元

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