2.3　电力电子器件的失效原因和散热方式

热分析在许多工程中扮演重要的角色，研究表明，电力电子器件的可靠性与工作温度关系密切，器件的失效率与温度成指数关系，工作温度越高性能降低，过热的温度成为一种非常危险的破坏因素。因此，在器件内部热场对器件的性能和可靠性有严重的影响，热场分析是设计中的重要环节［22］。

2.3.1　电力电子器件常见失效原因

图2-5　电子设备失效原因比例

电力电子器件的失效原因有衬板连接处的热疲劳、机械振动、潮湿导致化学腐蚀等，其中热疲劳最为常见。随着功率密度的提升，IGBT模块的内部发热量也越来越大。电子设备失效原因比例见图2-5。

高温导致的失效在所有电子设备失效原因中所占的比例大于50%。此外，晶体管的失效率随温度的升高呈指数规律上升，图2-6为电子设备失效率随温度上升的变化趋势［23-24］。

实验室大量实验证明，若器件的工作温度与额定工作温度相当时，器件仍能工作，但表现出来的电学特性已经达不到预期目标，在这种情况下，芯片温度回到常温后仍能继续正常工作。然而，若器件长时间工作在超过额定工作温度的情况下，则会引起器件的严重失效，即永久性失效，即便温度回到正常状态后，器件也无法工作。图2-7展示了因温度过高引起的器件失效状况。

图2-6　温度上升时电子设备失效率变化情况

图2-7　高温引起的电力电子器件失效图

从图2-7可以看出，由于芯片结温过高，芯片有龟裂现象并且底部有焊料溢出，这是因为:局部温度过高，热膨胀系数不同导致产生的热应力不同，位于底板和绝缘基片间的焊接层破裂。由此看来，设计出最优散热结构对大功率器件的正常运行十分重要。

2.3.2　电力电子器件常见散热方式

总体来说，可以从外部散热装置和芯片结构进行优化以提高散热性能。

1.风冷

风冷是电力电子设备中最常用的冷却方式。从热量流向的角度来说，风冷是基于底铜板与空气分子的对流换热效应将底铜板的热量随空气分子带走。

从式（2-2）可以看出，散热面积越大，对流换热系数越大，散热越好。但实际情况是，芯片模块的底铜板面积一定，为了克服散热面积较小这一缺陷，底铜板往往被连接到一个更大的鳍片结构散热器上以获取更大的散热面积，最终是通过在散热器上与空气的对流作用散热。此外，通过增加对流换热系数也可以达到散热优化的目的，常用的方法是通过强制空气对流代替普通空气对流。但相关文献指出适当提高风速有利于热阻的降低，但风速超过5m/s之后再提高已无多大意义［25-26］。

2.水冷

虽然风冷方式成本低廉，但风冷本身受到散热结构的限制。根据相关文献，风冷方式最大空气强制对流换热系数为100W/（m2·℃），而水强制对流的换热系数高达15000 W/（m2·℃），是气体强制对流换热系数的100倍以上，水沸腾换热系数更高，可以达到25000W/（m2·℃）。

3.微通道冷却

微通道的应用结合了增加散热面积和水冷散热的共同优势。相比于前两种散热方式，微通道冷却更有利于大功率器件模块的散热。但微通道的刻蚀技术是难点，一般情况下，导流槽间距精确到微米级别，因此导流槽结构的制作对实验设备的要求较高。图2-8为导流槽的基本结构。

图2-8　微通道导流槽基本结构

除了以上的冷却方式外，还有一些新型的制冷方式正在研究，譬如热管制冷、埋入式制冷、TSV硅通孔制冷等。