车规级IGBT功率模块散热基板技术

IGBT功率模块失效的主要原因是温度过高导致的热应力，良好的热管理对于IGBT功率模块稳定性和可靠性极为重要。新能源汽车电机控制器是典型的高功率密度部件，且功率密度随着对新能源汽车性能需求的提高仍在不断提升。电机控制器内IGBT功率模块长时间运行以及频繁开闭会产生大量热量，伴随着温度的升高，IGBT功率模块的失效概率也将大幅增加，最终将影响电机的输出性能以及汽车驱动系统的可靠性。因此，为维持IGBT功率模块的稳定工作，需要有可靠的散热设计与通畅的散热通道，快速有效地减少模块内部热量，以满足模块可靠性指标的要求。

一、IGBT模块散热基板的作用及种类

散热基板是IGBT功率模块的核心散热功能结构与通道，也是模块中价值占比较高的重要部件，车规级功率半导体模块散热基板必须具备良好的热传导性能、与芯片和覆铜陶瓷基板等部件相匹配的热膨胀系数、足够的硬度和耐用性等特点。

1. 铜针式散热基板

铜针式散热基板具备针翅结构，大幅提高了散热表面积，可使功率模块形成针翅状直接冷却结构，有效提高了模块散热性能，促成功率半导体模块小型化。由于新能源汽车电机控制器用功率半导体模块对散热效率和小型化有较高要求，因此在新能源汽车领域得到了广泛运用。

铜针式散热基板

铜针式散热基板工艺流程如上图所示，生产的主要步骤包括：模具设计开发和生产制造、冷精锻、整形冲针、CNC机加工、清洗、退火、喷砂、弯曲弧度、电镀、阻焊/刻追溯码、检验测试等。

铜针式散热基板工艺流程

2. 铜平底散热基板

铜平底散热基板是传统领域功率半导体模块的通用散热结构，主要作用是将模块热量向外传递，并为模块提供机械支撑。该产品传统应用于工业控制等领域，目前亦应用在新能源发电、储能等新兴领域

铜平底散热基板

铜平底散热基板工艺流程如上图所示，生产的主要步骤包括：剪板、冲孔下料、CNC 机加工、冲凸台/压平凸台、喷砂、电镀、弯曲弧度、阻焊、检验测试等。

铜平底散热基板工艺流程

二、车规级IGBT功率模块散热方式

目前，车规级IGBT功率模块一般采用液冷散热，而液冷散热又分为间接液冷散热和直接液冷散热。

1. 间接液冷散热

间接液冷散热采用的是平底散热基板，基板下面涂一层导热硅脂，紧贴在液冷板上，液冷板内通冷却液，散热路径为芯片-DBC基板-平底散热基板-导热硅脂-液冷板-冷却液。即芯片为发热源，热量主要通过DBC基板、平底散热基板、导热硅脂传导至液冷板，液冷板再通过液冷对流的方式将热量排出。

间接液冷散热中IGBT功率模块不直接与冷却液接触，散热效率不高，也因此限制了功率模块的功率密度提升。

2.直接液冷散热

直接液冷散热采用的是针式散热基板，位于功率模块底部的散热基板增加了针翅状散热结构，可直接加上密封圈通过冷却液散热，散热路径为芯片-DBC基板-针式散热基板-冷却液，无需使用导热硅脂。该种方式使得IGBT功率模块与冷却液直接接触，模块整体热阻值可降低30%左右，且针翅结构大大提高了散热表面积，散热效率因此大幅提高，IGBT功率模块功率密度也可以设计的更高。

目前直接液冷散热已成为车规级IGBT功率模块的主流散热方式，包括英飞凌在内主要厂商的车规级功率模块产品均主要采用针式散热基板。