摘要：IGBT模塊底板是IGBT模塊的重要配件，對模塊的散熱、抗機械沖擊性能和長期應用可靠性有著重要的影響，本文通過對挖槽型和非挖槽型IGBT模塊底板焊接表面應力的仿真分析，證實了挖槽型底板有利于提升IGBT模塊的應用可靠性。

　　關鍵詞： IGBT模塊 底板 挖槽型 非挖槽型

　　緒論

　　絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor，簡稱IGBT)模塊主要應用于變頻器主回路DC/AC變換電路中，是高頻電力電子主電路和控制系統的核心開關器件，現已廣泛應用于電力機車、高壓輸變電、電動汽車、伺服控制器、UPS、開關電源、斬波電源等領域。IGBT模塊作為核心部件，其本身的應用可靠性直接影響著電力電子系統長期運行的安全性與可靠性，因此，不斷對IGBT模塊的配件、材料進行研究與優化，從而提升IGBT模塊的整體可靠性是IGBT模塊設計與封裝制造技術領域需長期研究、探索的課題。

　　仿真對比分析

　　IGBT模塊設計主要需要滿足如下四個功能：(1)形成系統電路接口端子與模塊內部IGBT、FRD芯片的電流通路;(2)形成模塊內部IGBT、FRD芯片與外部環境的散熱通路;(3)實現模塊內部電氣連接的絕緣隔離;(4)具有穩固的封裝結構[1]。按照封裝形式的不同，IGBT模塊可分為焊接式、壓接式和塑封式，焊接式IGBT模塊在市場上最為常見，應用也最為廣泛，焊接式IGBT模塊內部結構如圖1所示[2]。

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　　從圖1可以看出，底板是焊接式IGBT模塊內部IGBT、FRD芯片與外部散熱器散熱通路中的主要部件，對模塊的散熱性能有著重要的影響。眾所周知，模塊內部IGBT、FRD芯片與外部散熱器之間熱阻越小，模塊的功率輸出就愈大。因此，為了盡可能的減小熱阻， IGBT模塊底板大多采用銅、鋁或鋁碳化硅等熱導率高的材料進行制作;在結構設計方面，則大多采用凸形底板設計，具體結構如圖2所示。

　　凸形結構底板與平板形底板相比，在模塊安裝狀態下，凸形結構底板與散熱器的接觸面積大，底板與散熱器之間的接觸熱阻減小，模塊散熱特性改善，但因模塊安裝造成的底板形變，使模塊底板焊接面表面有應力存在，而該應力將會造成IGBT模塊內部DBC基板與底板之間的焊層開裂、DBC基板開裂，導致模塊的散熱能力變差、絕緣特性失效，從而影響IGBT模塊的應用可靠性。

　　在IGBT模塊安裝條件下，為了既能保持IGBT模塊底板與散熱器接觸面積大，散熱能力優的特性，又能降低模塊底板安裝形變應力對模塊可靠性造成的負面影響，我們設計了挖槽型IGBT模塊底板新結構：在底板焊接面表面沿各DBC基板間隔中線挖U形淺凹槽，模塊安裝狀態下，由于底板焊接面表面凹槽結構的存在，表面應力可進一步降低，同時，表面應力分布將更加均勻。

　　為了驗證在模塊安裝狀態下，挖槽型IGBT模塊底板與非挖槽型底板應力大小與應力分布狀況，我們借助計算機仿真軟件，在同等模塊安裝力矩條件下，對兩種底板焊接面表面應力大小及分布狀況進行仿真，仿真結果如圖3(a)、(b)所示。

　　從上圖可以看出：非挖槽型底板焊接面的應力大小約在95822~900630Pa之間;挖槽型IGBT模塊底板焊接面的應力約在121250~378280Pa之間，比非挖槽型底板焊接面的應力峰值降低，且整個底板焊接面表面應力分布更加均勻，應力均勻區域的面積更大。

　　結論

　　通過對相同安裝條件下挖槽型IGBT模塊底板與非挖槽型底板表面應力的仿真、對比、分析，發現挖槽型底板既保持了非挖槽模塊底板與散熱器的有效接觸面積大、散熱能力好的優點，又能有效降低底板焊接表面應力，可進一步提升IGBT模塊的應用可靠性。

　　參考文獻：

　　1、 Daniel Schneider, Lydia Feller, Dominik Trussel , Samuel Hartmann, Sven Klaka. ABB review 評論, 2008.

　　2、 Horio, M. et al. Investigations of high temperature IGBT module package structure. Proc. PCIM, Nurnberg, Germany. 2007.

　　本文作者：

　　中國中車永濟電機公司西安永電半導體分公司

　　王豹子  于凱