DOH：Direct on Heatsink,熱沉。

DOH工藝提升TEC、MOSFET、IPM、IGBT等功率器件性能提升，解決孔洞和裂紋問(wèn)題提升產(chǎn)品良率及使用壽命。

金屬基板（Metal Core Printed Circuit Board, MCPCB）是一種以金屬材料（如鋁、銅）為基體的特殊印制電路板，其核心設(shè)計(jì)目標(biāo)是通過(guò)金屬的高導(dǎo)熱性實(shí)現(xiàn)高效散熱，廣泛應(yīng)用于高功率電子設(shè)備、LED照明、汽車電子等領(lǐng)域。以下是其詳細(xì)定義、結(jié)構(gòu)組成及核心特性：

一、金屬基板的定義

金屬基板是一種由金屬基底層、絕緣層和電路層（覆銅層）組成的復(fù)合板材。與傳統(tǒng)FR-4玻纖板不同，其基體為金屬（如鋁或銅），通過(guò)絕緣層實(shí)現(xiàn)電路與金屬基底的電氣隔離，同時(shí)利用金屬的高導(dǎo)熱性快速傳導(dǎo)熱量。

二、結(jié)構(gòu)組成

金屬基層

材料：常用鋁（Al 5052、Al 6061）或銅（純銅、銅合金），厚度通常為0.5~5mm。

作用：核心散熱介質(zhì)，快速將熱量從電路層傳導(dǎo)至外部環(huán)境或散熱器。

絕緣層

材料：環(huán)氧樹脂（普通型）、陶瓷填充聚合物（高導(dǎo)熱型）、聚酰亞胺（高頻應(yīng)用）。

厚度：50~200μm，需兼顧導(dǎo)熱與耐壓（典型耐壓值>3kV）。

作用：電氣隔離電路層與金屬基板，同時(shí)傳遞熱量。

電路層

材料：電解銅箔（厚度18~105μm），通過(guò)蝕刻形成電路圖形。

工藝：類似傳統(tǒng)PCB，但需適應(yīng)金屬基板的熱膨脹特性。

三、核心特性

1. 高熱導(dǎo)率

鋁基板：導(dǎo)熱系數(shù)約180~220 W/(m·K)（普通鋁基板），適合中低功率場(chǎng)景（如LED照明）。

銅基板：導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)380~400 W/(m·K)，適用于高功率密度器件（如IGBT模塊）。

對(duì)比：傳統(tǒng)FR-4基板導(dǎo)熱系數(shù)僅0.3 W/(m·K)，金屬基板的導(dǎo)熱能力是其數(shù)百倍。

2. 優(yōu)異的熱膨脹匹配性

金屬基板（如鋁）的熱膨脹系數(shù)（CTE）約為23 ppm/°C，與半導(dǎo)體芯片（如硅，CTE≈4 ppm/°C）更接近，減少熱應(yīng)力導(dǎo)致的焊接點(diǎn)開裂風(fēng)險(xiǎn)。

3. 機(jī)械強(qiáng)度與穩(wěn)定性

金屬基底提供高剛性，抗彎曲、抗振動(dòng)性能優(yōu)于普通PCB，適用于汽車電子、工業(yè)設(shè)備等惡劣環(huán)境。

耐高溫性能：鋁基板可長(zhǎng)期工作在150°C以上，銅基板耐溫更高。

4. 電氣絕緣性

絕緣層介電強(qiáng)度通?！?strong>3 kV/mm，滿足多數(shù)高壓場(chǎng)景需求，但高頻應(yīng)用需注意介電損耗（如陶瓷填充絕緣層可降低損耗）。

5. 輕量化與成本平衡

鋁基板：密度低（2.7 g/cm3）、成本低，是LED照明的首選。

銅基板：密度高（8.9 g/cm3）、成本高，但導(dǎo)熱性能更優(yōu)，適合高價(jià)值設(shè)備（如5G基站）。

四、典型應(yīng)用場(chǎng)景

IGBT熱管理解決方案主要包括以下幾種散熱方式，旨在降低器件因高功率損耗產(chǎn)生的溫升：

1. 空氣自然散熱

◎原理：通過(guò)導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射自然散熱，無(wú)需外部輔助能量。

◎特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)噪音、免維護(hù)；但效率低，僅適用于低功耗或密封/密集組裝場(chǎng)景。

◎適用場(chǎng)景：額定電流較小的器件，或?qū)囟瓤刂埔蟛桓叩膽?yīng)用。

2. 強(qiáng)制空氣冷卻

◎原理：利用風(fēng)扇強(qiáng)制對(duì)流散熱，通過(guò)散熱器翅片和流動(dòng)空氣加速熱量傳遞。

◎特點(diǎn)：

◇傳熱效率是自然散熱的2-5倍，通過(guò)優(yōu)化材料（如工業(yè)純鋁或紫銅）和風(fēng)速可降低熱阻。

◇ 但需配備風(fēng)扇，存在噪音、易積塵和維護(hù)需求，且無(wú)法降溫至室溫以下。

◎適用場(chǎng)景：中等功率密度場(chǎng)景，需較高散熱效率但對(duì)噪音要求不嚴(yán)格的環(huán)境。

3. 液冷方式

◎水冷散熱

◇原理**：通過(guò)循環(huán)水或混合冷卻液（如乙二醇）傳遞熱量，散熱效率是自然風(fēng)冷的100-300倍。

◇特點(diǎn)：適用于大功率器件，但需解決水的純度、絕緣性及腐蝕問(wèn)題，設(shè)備復(fù)雜。

◇適用場(chǎng)景：高壓大功率電力電子裝置（如光伏逆變器、新能源汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)）。

◎油冷散熱（已逐漸被替代）：

◇采用油介質(zhì)冷卻，絕緣性和電磁屏蔽效果佳，但冷卻效率和環(huán)境影響不及水冷。

4. 熱管散熱器

◎原理：利用熱管內(nèi)工作液蒸發(fā)-冷凝的相變過(guò)程快速傳導(dǎo)熱量，傳熱能力是紫銅的10倍。

◎特點(diǎn)：

◇均溫性優(yōu)異、無(wú)噪音、無(wú)需維護(hù)，但成本較高。

◇適用于粉塵多或需密閉環(huán)境的應(yīng)用（如煤礦、化工廠）。

◎適用場(chǎng)景：大功率分立元件或特殊工業(yè)環(huán)境。

5. 高導(dǎo)熱材料技

◎氮化硼絕緣片：

◇ 垂直導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)3.5-5 W/m·K，耐擊穿電壓＞4 kV，厚度超薄（0.15-2 mm），兼具高絕緣和導(dǎo)熱性能。

◇應(yīng)用：用于IGBT模塊的熱界面材料，加速熱量從芯片傳遞至散熱器；適用于變頻家電、新能源汽車、儲(chǔ)能系統(tǒng)等。

關(guān)鍵優(yōu)化方向

1. 降低散熱器熱阻：優(yōu)化材料（如銅、鋁）和結(jié)構(gòu)（翅片設(shè)計(jì)），改善接觸界面導(dǎo)熱。

2. 冷卻介質(zhì)選擇：根據(jù)功率密度和環(huán)境需求，平衡水冷的高效性與空氣冷卻的簡(jiǎn)易性。

3. 熱管理材料創(chuàng)新：通過(guò)氮化硼等新型材料突破傳統(tǒng)散熱瓶頸，實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)替代。

自 20 世紀(jì) 80 年代開發(fā)以來(lái)，IGBT 已成為風(fēng)能、太陽(yáng)能等高壓可再生能源應(yīng)用以及消費(fèi)和工業(yè)用途的電動(dòng)汽車和電動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵。

功率半導(dǎo)體、功率器件、IGBT三者有什么關(guān)系？

功率半導(dǎo)體是電力電子設(shè)備實(shí)現(xiàn)電力轉(zhuǎn)換和電路控制的核心元器件。功率半導(dǎo)體又稱作電力半導(dǎo)體，主要用來(lái)對(duì)電力進(jìn)行轉(zhuǎn)換，對(duì)電路進(jìn)行控制，用于改變電壓或電流的波形、幅值、相位、頻率等參數(shù)。功率半導(dǎo)體本質(zhì)上是一種電力開關(guān)，能夠在低阻狀態(tài)下流過(guò)從幾安培到幾千安培的電流，能夠在毫秒甚至微秒時(shí)間內(nèi)對(duì)高達(dá)數(shù)千伏高電壓、數(shù)千安培的大電流進(jìn)行控制。功率半導(dǎo)體器件可用于整流（交流轉(zhuǎn)換直流）、逆變（直流轉(zhuǎn)換交流）、轉(zhuǎn)換（直流轉(zhuǎn)直流）、變頻（改變交流電頻率）、功率控制等。電力設(shè)備采用多個(gè)功率半導(dǎo)體器件按照一定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行組合，就能實(shí)現(xiàn)負(fù)載電力轉(zhuǎn)換需求。功率半導(dǎo)體可以分為功率分立器件、功率模塊和功率IC。

圖1.功率半導(dǎo)體的主要分類（來(lái)源：招商銀行研究院）

功率器件按器件結(jié)構(gòu)可分為功率二極管、晶閘管、晶體管等。晶體管是電子電路的核心元件，主要包括MOSFET和IGBT， 具有高頻率、低損耗特點(diǎn)。

IGBT 耐壓較高，更適用于高壓中低頻領(lǐng)域。MOSFET功率器件是單極器件， 導(dǎo)通電阻會(huì)隨著電壓增加而急速上升，因而難以實(shí)現(xiàn)耐高壓、大電流。1982 年，通用電氣推出了結(jié)合MOSFET和BJT結(jié)構(gòu)的復(fù)合型器件IGBT。IGBT兼具 MOSFET 輸入阻抗高、控制功率小、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、開關(guān)速度快和BJT通態(tài)電 流大、導(dǎo)通壓降低、損耗小等優(yōu)點(diǎn)，成為功率半導(dǎo)體發(fā)展方向之一。IGBT 器件結(jié)構(gòu)不斷升級(jí)，器件性能持續(xù)提升。IGBT器件經(jīng)歷七次迭代升 級(jí)，在降低損耗和小型化等方面性能不斷優(yōu)化。IGBT器件從“穿通、非穿通、 場(chǎng)截止”和“平面柵、溝槽柵”兩個(gè)方面不斷演變，在芯片面積、工藝線寬、 通態(tài)飽和壓降、關(guān)斷時(shí)間、功率損耗、斷態(tài)電壓等方面不斷優(yōu)化，提升器件耐 壓、降低損耗和導(dǎo)通電阻。

圖2.IGBT器件性能對(duì)比（資料來(lái)源：Yole、招商銀行研究院）

IGBT功率半導(dǎo)體上游主要包括設(shè)計(jì)、制造到封裝測(cè)試，包括晶圓、外延、制 造、切割、封裝等工藝環(huán)節(jié)。功率半導(dǎo)體中游主要是電源轉(zhuǎn)換器或電源模塊， 下游應(yīng)用領(lǐng)域涉新能源相關(guān)行業(yè)及所有電子行業(yè)領(lǐng)域。

IGBT 在新能源汽車、光伏、風(fēng)電、儲(chǔ)能、充電樁等新能源相關(guān)領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。隨著新能源汽車滲透率提升和光伏風(fēng)電儲(chǔ)能市場(chǎng)快速崛起，IGBT市場(chǎng)有望保持快速增長(zhǎng)。根據(jù)Omdia的分析，IGBT市場(chǎng)將從2020年的61.92億 美元增長(zhǎng)到2025年的125.38億美元，復(fù)合年均增長(zhǎng)率為15.2%。其中，IGBT 中國(guó)市場(chǎng)占比約35%。

圖4.IGBT及其它功率半導(dǎo)體模塊的應(yīng)用示意圖（資料來(lái)源：Yole、招商銀行研究院）

如今，IGBT 幾乎存在于所有電子產(chǎn)品中：醫(yī)院的 X 光機(jī)、CAT 掃描儀和 MRI 裝置等醫(yī)療診斷機(jī)器；便攜式除顫器；微波爐和電磁爐；空調(diào)和冰箱……所有風(fēng)能和太陽(yáng)能裝置都利用基于 IGBT 的技術(shù)將產(chǎn)生的電能轉(zhuǎn)換為適合消費(fèi)和工業(yè)應(yīng)用的形式。它在提高電能使用效率和減少汽油消耗方面發(fā)揮了重要作用，因此在過(guò)去 40 年的全球減少污染的努力中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

IGBT熱管理解決方案

當(dāng)下的高功率器件在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量熱量，如果不及時(shí)有效地散熱，可能會(huì)導(dǎo)致器件的性能下降甚至損壞。因此，功率器件的熱管理至關(guān)重要。熱管理主要包括熱量的傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射，以保證器件在安全溫度范圍內(nèi)工作。

圖4.功率器件封裝結(jié)構(gòu)示意圖（來(lái)源：洞見(jiàn)熱管理繪制）

1、IGBT在結(jié)上發(fā)生功率損耗;

2、結(jié)上的溫度傳導(dǎo)到IGBT模塊殼上;

3、IGBT模塊上的熱傳導(dǎo)散熱器上;

4、散熱器上的熱傳導(dǎo)到空氣中。

如果IGBT模塊功率一定時(shí)，IGBT結(jié)殼之間的熱阻一定，IGBT殼與散熱器的熱阻與散熱器材料和接觸程度兩個(gè)方面有關(guān)，但此處熱阻較小，散熱器的材料及接觸程度的改變對(duì)整個(gè)散熱過(guò)程影響較小。

換言之就是主要影響散熱的是兩個(gè)方面，一是總的損耗，二是散熱器熱阻。

但是往往鑒于輸出功率及實(shí)際工況的限制，IGBT的總功率損耗是不可以改變的。

所以散熱的問(wèn)題主要就是怎么改變散熱器到空氣或其他介質(zhì)之間熱阻的問(wèn)題。

功率器件的耗散功率所產(chǎn)生的溫升需由散熱器來(lái)降低，通過(guò)散熱器增加功率器件的導(dǎo)熱和輻射面積、擴(kuò)張熱流以及緩沖導(dǎo)熱過(guò)渡過(guò)程，直接傳導(dǎo)或借助于導(dǎo)熱介質(zhì)將熱量傳遞到冷卻介質(zhì)中，如空氣、水或水的混合液等。

目前常用到的冷卻方式為強(qiáng)制空氣冷卻、循環(huán)水冷卻、熱管散熱器冷卻等。

（1）空氣自然散熱

空氣自然散熱是指不使用任何外部輔助能量，實(shí)現(xiàn)局部發(fā)熱器件向周圍環(huán)境散熱達(dá)到溫度控制的目的。

通常包含導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射，適用于對(duì)溫度控制要求不高、器件發(fā)熱的熱流密度不大的低功耗器件和部件，以及密封或密集組裝的器件不宜(或不需要)采用其他冷卻技術(shù)的情況。這種散熱器效率很低，不適合用于大功率器件中。

由于它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)噪音、免維護(hù)，特別是沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件，所以可靠性高，非常適用于額定電流在以下的器件。

（2）強(qiáng)制空氣冷卻

強(qiáng)制對(duì)流風(fēng)冷散熱特點(diǎn)是散熱效率高，其傳熱系數(shù)是自冷式散熱效率的2-5倍。

強(qiáng)制對(duì)流風(fēng)冷散熱分兩部分：翼片散熱片和風(fēng)扇。熱源直接接觸的翅片散熱器，其作用是將熱源發(fā)出的熱量引出，風(fēng)扇用來(lái)給散熱器強(qiáng)制對(duì)流冷卻降溫。從而強(qiáng)制空氣冷卻主要與散熱器材料、結(jié)構(gòu)、翼片有關(guān)。

風(fēng)速越大，散熱器熱阻越小，但流動(dòng)阻力越大，因此應(yīng)適當(dāng)提高風(fēng)速來(lái)降低熱阻。

風(fēng)速超過(guò)一定值之后再提高風(fēng)速對(duì)熱阻的影響就非常小了。散熱器材料質(zhì)量特性對(duì)散熱效率有顯著影響。紫銅導(dǎo)熱系數(shù)相當(dāng)于工業(yè)純鋁的2倍，在相同散熱效率下，紫銅散熱器的體積為鋁質(zhì)散熱器的1/3一1/2。

由于銅的比重大，價(jià)格高，一般較少應(yīng)用。

風(fēng)冷散熱結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，安全可靠，技術(shù)成熟，但不能將溫度降至室溫以下。因需配備風(fēng)機(jī)，因而噪聲大，容易吸人灰塵，可靠性相對(duì)降低，有一定維護(hù)量，且風(fēng)扇壽命受時(shí)間限制。

（3）液冷方式

液態(tài)冷卻將導(dǎo)熱系數(shù)較之氣體冷卻可顯著提高。

對(duì)于功率密度大的電力電子裝置而言，液體冷卻是很好的選擇。液體冷卻系統(tǒng)利用循環(huán)泵來(lái)保證冷卻液在熱源和冷源之間循環(huán)，以交換熱量。水冷式散熱器水冷式散熱器的散熱效率極高，等于空氣自然冷卻換熱系數(shù)的100-300倍。以水冷式散熱器代替風(fēng)冷式散熱器，可大大提高器件的容量。但是，由于普通水的絕緣性較差，水中存在的雜質(zhì)離子會(huì)在高電壓下導(dǎo)致電腐蝕和漏電現(xiàn)象，只有在低電壓，才可以采用普通水冷卻。

為使上述水冷系統(tǒng)進(jìn)人高壓大功率電力電子領(lǐng)域，必須解決冷卻水的純度和長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)的可靠性及腐蝕兩大問(wèn)題，且水冷卻方式需要有水循環(huán)與處理設(shè)備，設(shè)備復(fù)雜。油冷式散熱器由于油的冷卻性能比空氣好，同時(shí)也由于將閥體安裝在油箱中可以免受環(huán)境條件的影響，具有很高的絕緣性和電磁屏蔽效果，所以曾在高壓大功率電力電子裝置中得到相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。

但由于水冷系統(tǒng)不論從冷卻效果還是環(huán)境影響方面均具有明顯的優(yōu)勢(shì)，所以近年來(lái)油冷系統(tǒng)似乎已漸漸淡出高壓大功率變流器領(lǐng)域。

（4）熱管散熱器

熱管散熱方案設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)熱管是一種能的傳熱元件,它以獨(dú)特的傳熱方式，實(shí)現(xiàn)了超常的傳熱效果。

典型的熱管由管殼、吸液芯和端蓋組成，將管內(nèi)抽成1.3*(0.1~0.0001)Pa的負(fù)壓后充以適量的工作液體，使緊貼管內(nèi)壁的吸液芯毛細(xì)多孔材料中充滿液體后加以密封。管的一端為蒸發(fā)段(加熱段，另一端為冷凝段(冷卻段)，根據(jù)應(yīng)用需要在兩段中間可布置絕熱段。

當(dāng)熱管的一端受熱時(shí)毛紉芯中的液體蒸發(fā)汽化，蒸汽在微小的壓差下流向另一端放出熱量凝結(jié)成液體,液體再沿多孔材料靠毛細(xì)力的作用流回蒸發(fā)段。如此循環(huán)，熱量由熱管的一端傳至一另端。

其優(yōu)點(diǎn)是，具有傳熱能力強(qiáng)，是紫銅的10倍,、均溫能力優(yōu)良、熱密度可變、無(wú)外加設(shè)備、工作可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕、不用維護(hù)等優(yōu)點(diǎn),熱管傳熱速度且噪音低,使用壽命長(zhǎng)，缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴。

熱管散熱器一般適用于大功率、分立元件的場(chǎng)合在一些特殊的生產(chǎn)工況如粉塵比較多的地方煤礦、焦化廠、部分化工廠可以采用熱管散熱器，因?yàn)榭梢宰龅秸麄€(gè)功率變換部分的密閉性。

國(guó)內(nèi)的電力電子變換器行業(yè)多年前已采用熱管散熱器。