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热界面材料对半导体功率模块中器件热耦合影响的研究
Impact of Thermal Interface Materials on the Device Thermal Coupling in Semiconductor Power Modules
| 作者 | Xiang Li · Guiqin Chang · Matthew Packwood · Qiang Xiao · Haihui Luo · Guoyou Liu |
| 期刊 | IEEE Transactions on Power Electronics |
| 出版日期 | 2024年11月 |
| 技术分类 | 电动汽车驱动 |
| 技术标签 | 功率模块 多物理场耦合 |
| 相关度评分 | ★★★★ 4.0 / 5.0 |
| 关键词 | 热界面材料 半导体功率模块 热耦合 绝缘栅双极晶体管 快速恢复二极管 |
语言:
中文摘要
本文研究了不同热界面材料（TIMs）对半导体功率模块内部器件间热耦合的影响。具体而言，针对配备续流快速恢复二极管（FRDs）的绝缘栅双极型晶体管（IGBT）功率模块，采用两种热界面材料，即导热硅脂和石墨片进行研究。首先对功率模块内部芯片间的热耦合进行了理论分析，随后给出了数值模拟和实验测试结果。结果之间的一致性验证了热界面材料的热导率越低，芯片间的热耦合越强。由于自热热阻和耦合热阻均取决于热界面材料的热导率，因此对二者在总热阻中的贡献比例变化进行了量化。此外，还表征了热界面材料对IGBT芯片和FRD芯片间相互耦合的影响。
English Abstract
This article studies on the influence of different thermal interface materials (TIMs) on the thermal coupling among devices inside the semiconductor power modules. In particular, an insulated-gate bipolar transistor (IGBT) power module equipped with free-wheeling fast recovery diodes (FRDs) is investigated with two types of TIMs, namely the thermal grease and graphite sheet. The theoretical analysis of thermal coupling among the chips inside the power module is carried out, which is followed by the numerical simulation and experimental test results. The agreement among the results verifies that lower thermal conductivity of the TIMs leads to stronger thermal coupling among chips. As both the self-heating and coupling thermal impedances are dependent on the TIM thermal conductivity, the variation of their contribution ratio to the total thermal resistance is quantified. The influence of TIMs on the mutual coupling between the IGBT and FRD chips is also characterized.
S
SunView 深度解读
作为全球领先的光伏逆变器和储能系统供应商，阳光电源的核心产品高度依赖IGBT功率模块的热管理性能。该论文针对导热界面材料（TIM）对功率半导体器件热耦合影响的研究，对我司产品可靠性提升具有重要参考价值。
在大功率光伏逆变器和储能变流器中，IGBT与续流二极管（FRD）的热耦合效应直接影响系统的功率密度和长期可靠性。论文通过理论分析、仿真和实验验证了一个关键发现：导热系数较低的TIM会导致芯片间更强的热耦合。这为我司在选择导热硅脂与石墨片等界面材料时提供了量化依据。特别是在高功率密度设计中，需要在TIM成本、导热性能和热耦合控制之间寻求最优平衡点。
该研究对阳光电源的技术价值体现在三个层面：首先，可优化现有产品的热设计方案，通过精确计算自热和耦合热阻的贡献比例，提升功率模块的过载能力；其次，为下一代高功率密度逆变器（如1500V系统）的散热设计提供理论支撑；第三，有助于建立更精准的热仿真模型，缩短产品开发周期。
从技术成熟度看，TIM材料本身已是成熟技术，但其在复杂热耦合场景下的应用优化仍有提升空间。建议我司技术团队结合碳化硅（SiC）器件的应用趋势，深入研究新型TIM材料在更高结温条件下的长期稳定性，并建立涵盖热-电-机械多物理场的耦合分析平台，这将成为我司在激烈市场竞争中保持技术领先的重要抓手。