智能功率模块封装热设计

智能功率模块(Intelligent Power Module,简称IPM)具有高集成度、高电流密度、高耐压及高开关频率等特点,已经逐步在新能源交通、工业控制及智能家电等领域中逐步得到应用。然而,与传统功率模块相比,智能功率模块体积小、结构紧凑及含有的功率器件多等特点,导致其功率密度更大,局部发热也更严重,由过热导致的失效问题已经成为智能功率模块发展的瓶颈之一,因此迫切需要对其封装热设计展开深入研究,这对提高智能功率模块的热可靠性具有重要意义。本文基于Fairchild公司的智能功率模块(FSB50550A),研究了模块热阻测试方法,实现了精确的热阻测试。随后,通过ANSYS热仿真平台,从结构和材料入手,分别就模块的基底、引线框架、焊料层及塑封壳四个方面对智能功率模块进行了散热和热应力仿真研究。研究表明,采用一定尺寸的陶瓷基板能使热阻降低80%以上,焊料层和芯片上等效应力会明显减小；通过改变部分引线框架纵向尺寸能有效降低热阻和减小局部过热问题;且随着焊料层厚度的增加,功率芯片的结温会升高,而焊料层的等效应力总体呈上升趋势；塑封壳的尺寸对模块的散热和热应力影响不大。通过对智能功率模块散热和热应力的研究,本文进一步提出了智能功率模块的热设计优化方案。验证结果表明,与原智能功率模块相比,其热阻降低了80.1%,正常工作时的结温降低了19.5%,焊料层和芯片的等效应力分别为1.48×108 Pa和1.93×108Pa,分别降低了69.5%和80.6%。本文对模块的热阻测试和仿真研究为智能功率模块的封装结构热设计提供了指导意义。