功率模块的热经过哪里散出？

半导体芯片产生的热经过焊料、铜电路、陶瓷基板、铜、焊料、底板、导热硅脂（TIM）、冷板流入冷却液。各层热阻之和就是结到冷却液的热阻，乘以损耗得到温升。热量越往下扩散越开，下层面积越大。

功率模块热阻最大的在哪里？

多数情况下是冷却侧（冷板与冷却液之间）和导热硅脂。算例中氮化铝基板间接冷却，总热阻0.47 K/W中冷却侧0.26、硅脂0.09 K/W，两者合计约75%。陶瓷基板若用氧化铝为0.12 K/W，较大；氮化铝或氮化硅约0.03 K/W。

改为直接冷却能降多少？

在底板上加针翅直接接触冷却液，去掉了硅脂，冷却侧换热也提高。算例中氮化铝基板热阻从0.47降到0.21 K/W，100 W、冷却液65 ℃时结温从112 ℃降到86 ℃。这种方式广泛用于电动汽车逆变器。

功率模块散热

分类：电子设备冷却 | 2026-10-01 改写

CAE visualization for power module cooling theory - technical simulation diagram

功率模块冷却

理论：叠层热阻

概述

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逆变器IGBT温度接近上限。要换更贵的基板吗？

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先算出热阻构成再决定。芯片的热要经过焊料、铜、陶瓷基板、底板、硅脂、冷板多层才流到冷却液。每层都有热阻，总和乘以损耗就是温升。哪一层最大，决定了什么对策有效：如果冷却侧或硅脂占大头，换基板效果很小。还要记住，热量越往下扩散越开，同样厚度下层热阻越小。

叠层热阻

$$ R_{th,j\text{-}c} = \sum_i R_i, \qquad R_i = \int_{z_i}^{z_i + t_i} \frac{dz}{k_i\,w(z)^2},\ \ w(z) = a_0 + 2z, \qquad T_j = T_{cool} + P\,R_{th} $$

假设热量按45°角扩散，对各层热阻积分。$a_0$ 为芯片宽度，$w(z)$ 为深度 $z$ 处扩散后的宽度，$k_i$、$t_i$ 为各层热导率和厚度。

$$ R_{cool} = \frac{1}{h_{eff}\,A} $$

冷却侧用扩散后的面积 $A$ 和包括翅片效果的有效换热系数 $h_{eff}$ 表示。

Coffee Break 随笔闲谈

从铁路到电动汽车

IGBT在20世纪80年代实用化，作为能高速开关大电流的器件推广到铁路车辆和工业电机驱动。早期模块通常用氧化铝基板和硅脂安装在冷板上。21世纪初混合动力车和电动汽车普及后，为了在小而轻的逆变器中处理大功率，开始使用导热好的氮化铝、氮化硅基板，以及去掉硅脂、底板直接接触冷却液的直接冷却。冷却上的改进直接转化为功率密度的提高。

算例：10 mm见方芯片100 W

芯片（0.12 mm）、焊料0.1 mm、铜0.3 mm、陶瓷、铜0.3 mm、焊料0.2 mm、3 mm铜底板、0.1 mm硅脂（3 W/mK）、冷板（有效换热系数10,000 W/m²K）。直接冷却无硅脂，针翅有效30,000 W/m²K。冷却液65 ℃，损耗100 W：

构成	陶瓷	硅脂	冷却侧	合计	结温
氧化铝·间接	0.117	0.093	0.277	0.583 K/W	123 °C
氮化铝·间接	0.027	0.089	0.263	0.470 K/W	112 °C
氮化硅·间接	0.028	0.095	0.281	0.499 K/W	115 °C
氧化铝·直接	0.117	—	0.094	0.307 K/W	96 °C
氮化铝·直接	0.027	—	0.089	0.208 K/W	86 °C

其他层（芯片、焊料、铜、底板）合计约0.1 K/W。氧化铝（0.38 mm）、氮化铝（0.63 mm）、氮化硅（0.32 mm）为代表厚度。

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从氧化铝换成氮化铝降11 ℃，而改为直接冷却即使还用氧化铝也降27 ℃。

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对。看构成，间接冷却中冷却侧和硅脂占总体的六到八成。氧化铝基板约占两成，换掉有意义，但不是最大项。直接冷却去掉硅脂，又用针翅提高冷却侧换热，所以效果大。当然，加大冷却液流量、减薄硅脂也是办法。基本做法是先用数字看清哪一层最大，再选投入产出比高的对策。

分析步骤

按运行条件求芯片损耗（导通损耗与开关损耗）。
用一维叠层模型得出热阻构成，找出应改善的层。
用三维传热分析计入多芯片热干涉和冷却液温升。
求瞬态热阻抗，计算运行工况下结温的波动。
由温度波动幅度估算焊点等的功率循环寿命。

Coffee Break 随笔闲谈

“新的时候还挺凉”

某逆变器使用几年后，同样负载下IGBT温度高了10 ℃以上。调查发现，底板与冷板之间的硅脂因温度升降引起的反复翘曲被一点点挤出（泵出），间隙进了空气，硅脂热阻变为新品的两倍以上。改用相变材料，并采用抑制底板翘曲的紧固方式后，老化引起的温升变小了。热阻构成在使用过程中也可能变化。

常见错误

错误与对策

错误	后果	对策
不看构成就采取对策	投入产出低	得出热阻构成
忽略热扩散	高估下层热阻	考虑扩散
硅脂按理想厚度	实际温度更高	用实测厚度与老化
只做稳态评估	漏掉温度循环寿命	瞬态热阻抗
忽略芯片间干涉	中间芯片更热	三维求解

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我想了解相关内容。

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可以用散热器设计工具试算冷却侧。相关页面参考结温、热阻、热界面材料、散热器设计和简化热模型。