功率模块封装的热阻、结温与寿命

热设计网 2020-06-17

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。

图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

两者有相同的拓扑，集成了逆变、整流和刹车部分

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。

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。

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。

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。