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功率模块封装的热阻、结温与寿命
时间:2020-07-18 07:11 作者:admin666 来源:
 

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。

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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

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两者有相同的拓扑,集成了逆变、整流和刹车部分

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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。
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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。
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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。

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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。

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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。

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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。

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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%。
——END——

  • 投稿作者:Paul,高级研发工程师。

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