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前言
IGBT模块的常用得封装形式从芯片往下一般由芯片-焊层-DCB-焊层-基板等组成，如下图1 所示。对于大功率模块基本上都会需要基板，一般是铜的或者是碳硅铝基板（AlSiC）应用于牵引级模块。很多小功率模块会采用无基板设计，散热采用DCB直接通过硅脂与散热器连接。比如Infineon的Easy封装、Vincotech的Flow1封装、Semikeon的MiniSkiiP等封装形式。
图 1 IGBT模块封装结构
一般我们会听到厂家人员介绍无基板的模块的时候会讲到无基板模块各种优点，包括模块的热阻会更小，节省铜基板，成本也会更低等等。这性热阻小、价格低、散热性更能好岂不是美得不可胜收。真是是这样么?
1、是的，无基板的模块热阻低
2、省掉铜基板确实是节省成本
3、但是，无基板的系统热阻高
什么，无基板模块热阻更低，但是散热性能更差？这又是怎么个意思呢？我们下面来逐一分析。
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模块热阻分析
下面我们通过理论以及数学方法计算模块的热阻，也就是从芯片层到散热器层的热阻。下面来计算同一个模块有基板和无基板热阻的差别。
首先我们选定Infineon的IGBT芯片IGC50T120T8RQ来计算有基板和无基板模块的热阻差异。该芯片的参数如下图2所示，芯片尺寸为7.25mm x 6.84mm，厚度为115um。DCB绝缘层为氧化铝（Al2O3）,厚度为0.38mm。芯片和DCB均采用焊接工艺。铜基板采用3mm厚铜基板。
图 2 IGC50T120T8RQ基本参数
计算可得在没有基板的情况下，芯片结壳热阻约为0.31℃/W左右，而带有基板的情况下，芯片的结壳热阻要大一些为0.34℃/W左右，如下图3所示（左侧为无基板模块，右侧为有基板模块）。据此可以得出结论：
确实，无基板模块由于少了一层基板，热阻会比有基板的模块要小。
图 3 有无基板热阻差异对比
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散热系统热阻分析
下面我们分析上述定义的模块安装在散热器上，在系统中的表现。系统散热设计采用热导率为1W/（m·K）的导热硅脂，厚度为75um，散热器采用20mm厚的铝散热器。整个系统如下图所示的堆栈结构。图4为有基板模块结构示意图，图5为无基板模块结构示意图。
图 4 有基板模块散热系统示意图
图 5 无基板模块散热系统示意图
计算可得，有基板模块安装在散热器上，芯片到散热器的热阻约为0.46℃/W左右，而对于无基板模块，芯片到散热器的热阻要大得多达到1.02℃/W左右，甚至多出一倍。如下图6所示（左侧为有基板模块，右侧为无基板模块）。
图 6 有无基板模块到散热器的热阻
从上图中可以看出，模块本身的热阻与之前的计算是相同的，差别在于导热硅脂的热阻增加了非常多，同时铝散热器的热阻也增加了许多。这是怎么回事呢？
在热传导过程中，热量是一层一层向下传播的。除了纵向的热传播，横向也传播热量，有一定的热扩散角度，如下图7所示。热阻大小近似与扩散面的面积成反比关系，热扩散面越大，热阻越小，如下式：
图 7 热扩散角度
对于模块来讲，散热的形式如下图8和图9所示。从下图中可以看出，有基板模块在散热器表面的长度和宽度相对于无基板模块要大，甚至超过一倍的长度。这样在导热硅脂层产生的热阻相对于无基板模块也要小四分之一。这就可以解释上面图6中，为什么导热硅脂热阻值相差较大。
图 8 有基板模块热扩散过程
图 9 无基板模块热扩散过程
需要注意的是，上面的计算过程并没有考虑热耦合的影响。在考虑热耦合的情况下，特别是在基板上的热耦合，铜基板的相对热扩散角度会变小。所以，实际上，有无基板模块的硅脂的热阻差距不会那么大。但是，一定厚度和宽度的铜基板确实可以增加散热面积，有效的降低系统热阻。
另外铜基板除了可以增加散热面积之外，本身铜的密度较高，整体热容也比较大。较大的热容在暂态过程中可以很好的缓冲热冲击，如下图10所示。可以看出，在同样的功耗条件下，无基板模块暂态温升要比有基板模块高出很多。
图 10 有无基板模块热冲击对比
依上所述，我们可以得出一下结论：
1、铜基板可以增加散热面积，从而减小系统热阻。
2，铜基板具有较高的热容，可以降低芯片的温度冲击应力。
3，有基板模块在系统中，热性能更好。
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实际案例
已经结尾的时候，我突然想到。如果拿一个实际模块对比岂不是更加直观。比如，如果给Flow1模块加上一个3mm厚的铜基板，那么系统热阻会如何变化呢？
Flow1模块的封装尺寸如下图所示。DCB的长宽为56.4×30.8，模块外壳的长宽为82mm×34.8mm。如果给模块增加一个跟外壳尺寸大小一样的3mm厚铜基板，从导热硅脂层，到散热器层的热阻如何变化呢？
图 11 Flow1的外形尺寸图
把模块当作一个整体来计算模块到散热器的热阻可以发现，当模块下面增加一个跟外壳尺寸相同的3mm厚铜基板厚，从模块到散热器的热阻将会由0.0592℃/W减小为0.043℃/W，降低了35%，如下图12所示。如此来看，铜基板的作用更加一目了然。这个案例中，其实铜基板尺寸并不是很大。如果能使用更大尺寸的铜基板，那么热阻降低也将会更加明显。当然这并不是线性关系，铜基板尺寸厚度的选择也是一个性能与成本的总和考量。
图 12 Flow1的模块增加铜基板厚热阻变化对比（左侧无基板，右侧有基板）
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