尺寸和功率往往看起来像是硬币的两面。当你缩小尺寸时--这是我们行业中不断强调的目标之一--你不可避免地会降低功率。但情况一定是这样吗？如果将我们的思维从芯片转移到模块设计上，就不需要抛硬币了。
在IGBT模块中，芯片面积减小导致了热阻抗的增加，进而影响性能。但是，由于较小的芯片在基板上释放了更多的空间，因此有可能利用这些新的可用空间来优化模块的布局。在这篇文章中，我们将探讨如何调整模块设计来改善热性能。下篇将探讨如何改善电气性能。
作为参考，我们将使用采用TRENCHSTOP? IGBT 7技术的新型1200V、600A EconoDUAL? 3模块，该模块针对通用驱动（GPD）、商业、建筑和农业车辆（CAV）、不间断电源（UPS）和太阳能等应用进行了优化。
更小的芯片带来的散热挑战
与以前的IGBT 4技术相比，1200V TRENCHSTOP? IGBT 7中功率芯片的技术特点是芯片缩小了约30%。一般来说，越小越好，但对一个相同电流等级的模块，更小的芯片意味着从相同的芯片面积中流过更多的电流。这导致了从芯片结到散热器的热阻抗增加。为了补偿，你可以使用高导电性的基板材料，改善基片与散热器的接触，或使用高导电性的热界面材料。然而，这种材料会导致更高的成本，所以它们往往不是设计者的首选。
每个人都喜欢免费的东西，不是吗？因此，让我们把注意力转移到基板上的“免费”空间。缩小30%的芯片使基板上有更多的可用空间。现在，我们如何利用这些新释放出来的空间来改善热阻抗？
在EconoDUAL? 3这样的中等功率模块中，多个芯片并联使用，以实现高模块电流。由于并联，多芯片间存在热耦合。来自两个芯片的热锋在模块的某一点上重叠，这导致两个芯片的有效耦合面积减少（图1）。
优化IGBT模块布局，提高热性能
带有铜底板的模块对芯片之间的距离依赖性较小，因为铜底板为散热器提供了一个厚实、高传导性的热路径。然而，与其他优化模块布局的步骤相结合，芯片的位置可以产生重大影响。
在图2中，你可以看到芯片放置在两个具有相同热堆的EconoDUAL? 3模块布局上的差异。除了优化芯片的位置外，直接键合铜基板（DBC）的布局也会产生影响。通过在模块布局V2中使用三个较小的DBC--而不是V1中的两个较大的DBC，底板可以被优化，具有较低的弯曲度，从而改善与散热器的热接触。
为了了解芯片缩小、模块布局和DBC如何结合起来影响整体热阻抗（Rth,jh），我们测量了它们对各种IGBT 4和IGBT 7模块布局的影响。在图3的第二列（IGBT7，模块布局V1，DBC #1），你可以看到，通过简单地缩小芯片尺寸而不对布局做任何改变，IGBT的Rth,jh增加了大约20%。
我们在第三栏中更进一步（IGBT7，模块布局V2，DBC #1），显示了将模块的内部布局从2个DBC改为3个DBC的影响，如图2所示。这表明，通过模块布局，30%的芯片面积减小，仅使IGBT结-散热器Rth,jh增加了10%（IGBT7，模块布局V2，DBC #1）
为了适应需要更高的隔离电压的应用，可以增加DBC陶瓷的厚度。图3的最后一栏（IGBT7，模块布局V2，DBC #2）代表了具有更厚陶瓷基板的新设计：已经上市的1200V TRENCHSTOP? IGBT 7。
来源：Jan Baurichter，英飞凌