摘要：IGBT模块底板是IGBT模块的重要配件，对模块的散热、抗机械冲击性能和长期应用可靠性有着重要的影响，本文通过对挖槽型和非挖槽型IGBT模块底板焊接表面应力的仿真分析，证实了挖槽型底板有利于提升IGBT模块的应用可靠性。

　　关键词： IGBT模块 底板 挖槽型 非挖槽型

　　绪论

　　绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，简称IGBT)模块主要应用于变频器主回路DC/AC变换电路中，是高频电力电子主电路和控制系统的核心开关器件，现已广泛应用于电力机车、高压输变电、电动汽车、伺服控制器、UPS、开关电源、斩波电源等领域。IGBT模块作为核心部件，其本身的应用可靠性直接影响着电力电子系统长期运行的安全性与可靠性，因此，不断对IGBT模块的配件、材料进行研究与优化，从而提升IGBT模块的整体可靠性是IGBT模块设计与封装制造技术领域需长期研究、探索的课题。

　　仿真对比分析

　　IGBT模块设计主要需要满足如下四个功能：(1)形成系统电路接口端子与模块内部IGBT、FRD芯片的电流通路;(2)形成模块内部IGBT、FRD芯片与外部环境的散热通路;(3)实现模块内部电气连接的绝缘隔离;(4)具有稳固的封装结构[1]。按照封装形式的不同，IGBT模块可分为焊接式、压接式和塑封式，焊接式IGBT模块在市场上最为常见，应用也最为广泛，焊接式IGBT模块内部结构如图1所示[2]。

\

　　从图1可以看出，底板是焊接式IGBT模块内部IGBT、FRD芯片与外部散热器散热通路中的主要部件，对模块的散热性能有着重要的影响。众所周知，模块内部IGBT、FRD芯片与外部散热器之间热阻越小，模块的功率输出就愈大。因此，为了尽可能的减小热阻， IGBT模块底板大多采用铜、铝或铝碳化硅等热导率高的材料进行制作;在结构设计方面，则大多采用凸形底板设计，具体结构如图2所示。

　　凸形结构底板与平板形底板相比，在模块安装状态下，凸形结构底板与散热器的接触面积大，底板与散热器之间的接触热阻减小，模块散热特性改善，但因模块安装造成的底板形变，使模块底板焊接面表面有应力存在，而该应力将会造成IGBT模块内部DBC基板与底板之间的焊层开裂、DBC基板开裂，导致模块的散热能力变差、绝缘特性失效，从而影响IGBT模块的应用可靠性。

　　在IGBT模块安装条件下，为了既能保持IGBT模块底板与散热器接触面积大，散热能力优的特性，又能降低模块底板安装形变应力对模块可靠性造成的负面影响，我们设计了挖槽型IGBT模块底板新结构：在底板焊接面表面沿各DBC基板间隔中线挖U形浅凹槽，模块安装状态下，由于底板焊接面表面凹槽结构的存在，表面应力可进一步降低，同时，表面应力分布将更加均匀。

　　为了验证在模块安装状态下，挖槽型IGBT模块底板与非挖槽型底板应力大小与应力分布状况，我们借助计算机仿真软件，在同等模块安装力矩条件下，对两种底板焊接面表面应力大小及分布状况进行仿真，仿真结果如图3(a)、(b)所示。

　　从上图可以看出：非挖槽型底板焊接面的应力大小约在95822~900630Pa之间;挖槽型IGBT模块底板焊接面的应力约在121250~378280Pa之间，比非挖槽型底板焊接面的应力峰值降低，且整个底板焊接面表面应力分布更加均匀，应力均匀区域的面积更大。

　　结论

　　通过对相同安装条件下挖槽型IGBT模块底板与非挖槽型底板表面应力的仿真、对比、分析，发现挖槽型底板既保持了非挖槽模块底板与散热器的有效接触面积大、散热能力好的优点，又能有效降低底板焊接表面应力，可进一步提升IGBT模块的应用可靠性。

　　参考文献：

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

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

　　本文作者：

　　中国中车永济电机公司西安永电半导体分公司

　　王豹子  于凯