摘要

绝缘栅双极晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor IGBT）具有开关速度快、输入阻抗高、饱和电压低、反向恢复时间短等显著特点。目前，电力电子IGBT封装模块在国民经济中的作用越来越明显，广泛应用于风能、太阳能、轨道交通、电动汽车、智能电网、家电变频等领域。IGBT封装模块日益成为目前世界学术界及工业领域研究的热点。随着市场对IGBT模块需求的增加，IGBT模块在性能、工艺、功率密度、可靠性等方面均取得了较大的发展，但随着功率密度的增加，IGBT模块的失效也日益明显。因此对IGBT封装模块内部的传热规律进行研究，设计简单高效的散热装置对解决内部的传热问题，提高模块的性能和可靠性有极其重要的意义。

本文介绍了传热学基本原理、大功率器件封装模块热量传递机理和失效原因以及大功率器件的主要散热方式和发展现状。以传统IGBT封装结构为模型，以有限元软件ANSYS为平台建立模型，分析了内部结构芯片散热的影响。通过测试发现，当芯片分布均匀时，散热效果最好；DCB（Direct Copper-ceramic Bonding）陶瓷层采用导热系数较高的材质时，芯片散热效果较为理想；DCB衬板水平面积的改变对芯片散热的影响可忽略；在小范围内，芯片结温随底铜板厚度增加而下降，之后芯片结温随厚度增加而升高。因此对于每个模块封装，都存在一个底铜板最佳厚度使芯片结温最低。最后简化模型重点分析DCB衬板层对最佳厚度的影响，研究发现，对于任一相同厚度的底铜板，随着DCB衬板厚度的增加，芯片结温越来越低；对于底铜板最佳厚度，随着DCB衬板厚度的增加，底铜板的最佳厚度也越来越小。

为讨论ANSYS建立模型的合理性，通过实际测试和理论计算分别进行了验证。拆解某商用IGBT模块，分析内部结构，在ANSYS平台上基于该结构对IGBT建模，施加相关载荷，求解得出芯片结温为72.20℃，底铜板温度约为51℃。将另一个相同的IGBT模块在同等条件下工作，测得底铜板平均温度为49.6℃，利用导通压降VC-E呈负温度系数的特性，通过测量通态压降得出芯片结温为70℃。最后利用热电耦合原理，基于已测得的底铜板温度计算出芯片结温73.4℃。结果发现，以实际测试值为参考，ANSYS仿真和理论验证的芯片结温误差率分别为3.14%和4.8%。因此，利用ANSYS仿真平台和理论计算具有一定的可信性，在IGBT模块制造领域具有重要的参考性。

关键词:电力电子；IGBT模块；电子封装；有限元分析；热分析