一、電子設備的組合傳熱模式

盡管我們已經詳細介紹了三種傳熱模式，但在實際工程中，我們通常會看到三種模式同時結合的情況。例如，在計算機芯片中，熱量以平行路徑從結傳導到外殼和引線。然后，熱量從引線傳導到電路板，并從外殼傳導到散熱器。同時，導線和散熱器中的熱量被對流到空氣中并輻射到周圍環境中。

如下圖所示三種模式下用于傳熱和熱阻的方程。

解決組合模式問題的最簡單方法是建立電阻網絡。通過這種方式，我們可以圖形化地檢查同時、并聯和串聯傳熱的每種模式的路徑。

當熱量通過單一材料的單個壁傳導時，熱傳導速率和熱梯度是恒定的。然而，當熱量在不同材料的串聯路徑中傳導時，每種材料的溫度梯度都不同。檢查三種材料串聯的復合墻，如下圖所示。

對于更常見的串聯和并聯熱流組合問題，如下圖所示，通過由串聯和并聯熱流路徑組成的壁的熱傳導，我們可以看到并聯材料的熱阻。

在涉及傳導和對流串聯傳熱模式的電子冷卻問題中，如下圖所示，電子模塊中的傳導和對流。硅芯片封裝在環氧泡沫絕緣體外殼中。大部分的熱傳遞是通過模具表面進行的。所以當我們知道熱耗率時，我們通常必須確定設備的溫度升高。

二、大功率IGBT模塊DBC襯底的熱仿真分析

IGBT功率模塊是電子產品的基礎部件之一，在工業電子升級過程中發揮著至關重要的作用。它被認為是電力電子行業的CPU。IGBT結合了GTR和功率MOSFET的優點。IGBT功率模塊是電力系統的核心部件，其性能對應用系統有著至關重要的影響。影響功率模塊性能和應用的因素包括：功率密度、功率損耗、運行速度、可靠性、使用壽命、體積、重量和成本等，主要取決于芯片技術和封裝理念、技術和制造工藝。

由于功率半導體器件處于工作狀態，芯片流過數百安培的電流。為了降低傳導損耗，采用低電阻率、高熱循環、高可靠性的直接鍵合銅來取代過去的厚膜技術。IGBT功率模塊采用DBC基板，減少了模塊內部引線的數量，減小了模塊的體積，促進了芯片的散熱，提高了功率模塊的可靠性。

IGBT功率模塊將IGBT芯片和二極管芯片封裝在多層系統中。整體結構為功率模塊提供了外部電路的電連接、良好的熱擴散路徑和穩定的機械結構。IGBT功率模塊的封裝結構如下圖所示。

它是一種類似的三明治式包裝結構。IGBT功率模塊包含芯片、焊料層、MoCu層、DBC基板和模塑化合物等。芯片由納米銀燒結在底部DBC基板的銅層上。燒結層提供芯片、DBC基板和模塊外部之間的電連接。

某型號對稱結構的雙面散熱IGBT模塊如下圖所示。

重新設計了原型號的DBC襯底結構：不對稱結構的大功率雙面散熱IGBT模塊，減少了DBC襯底的頂部幾何形狀；去除了頂部DBC基板的高功率單面散熱IGBT模塊。如下圖所示，不對稱結構雙面散熱IGBT功率模塊的三維模型和單面散熱IGBT功率模塊的三維模型。

利用ANSYS有限元軟件和傳熱理論對不同結構的IGBT功率模塊進行了仿真分析，IGBT模塊在穩態下運行的溫度場分布如下圖所示。

總體而言，IGBT模塊的內部溫度分布不均勻，因為IGBT模塊中材料的熱導率不同，并且受到熱耦合的影響，尤其是在芯片區域。因此，我們應該合理設計模塊芯片的整體布局，以減少熱耦合對IGBT模塊的影響。FRD芯片的溫度明顯低于IGBT芯片的溫度，這證明當外部條件一致時，芯片的溫度隨著功率的增加而增加。

IGBT模塊DBC基板的溫度分布如下圖所示。

對稱雙面散熱IGBT模塊DBC基板的溫度分布

不對稱雙面散熱IGBT模塊DBC襯底的溫度分布

單面散熱IGBT模塊DBC襯底的溫度分布

對于具有雙面散熱結構的IGBT功率模塊，芯片是中心，芯片的大部分熱量通過焊料層、MoCu層和兩個DBC襯底縱向導熱；熱量的一小部分是橫向傳導的。與對稱結構IGBT模塊的DBC襯底相比，非對稱結構IGBT組件的DBC基板的溫度略低。

綜上所述，對于中小功率IGBT模塊，在單面散熱滿足其導熱性、可靠性和穩定性的前提下，選擇單面散熱結構。對于大功率IGBT模塊，單面散熱結構無法滿足IGBT模塊在相同工作條件下的要求。在這種情況下，IGBT模塊需要選擇雙面散熱結構。推薦采用不對稱結構的雙面散熱IGBT模塊。

文章來源CAE工程師筆記