功率器件熱設計基礎（九）——功率半導體模塊的熱擴散

/ 前言 /

功率半導體熱設計是實(shí)現IGBT、碳化硅SiC高功率密度的基礎，只有掌握功率半導體的熱設計基礎知識，才能完成精確熱設計，提高功率器件的利用率，降低系統成本，并保證系統的可靠性。

功率器件熱設計基礎系列文章會(huì )比較系統地講解熱設計基礎知識，相關(guān)標準和工程測量方法。

任何導熱材料都有熱阻，而且熱阻與材料面積成反比，與厚度成正比。按道理說(shuō)，銅基板也會(huì )有額外的熱阻，那為什么實(shí)際情況是有銅基板的模塊散熱更好呢？這是因為熱的橫向擴散帶來(lái)的好處。

熱橫向擴散

除了熱阻熱容，另一個(gè)影響半導體散熱的重要物理效應為熱的橫向傳導。這個(gè)術(shù)語(yǔ)指熱能在熱導體內立體交叉傳輸，即熱量不僅能垂直傳導也可以橫向傳導。根據公式1，可由表面積 A 和厚度 d 計算 R _th 。

如果熱源的熱流 P _th,C 從一個(gè)有限面向另一個(gè)面積更大的熱導體傳導，熱量的出口面積 A _out 比進(jìn)口表面積 A _in 大，因此熱流密度不斷減小，但總熱量不變，如圖一和圖二所示。

圖一：平板上熱的橫向傳導

圖二：平板中熱的橫向傳導

出口表面積 A _out 比進(jìn)口表面積 A _in 大多少取決于兩個(gè)因素:

1. 平板的厚度 d

2. 熱擴散角 α

在熱的橫向傳導時(shí)，定為一個(gè)方形熱源，熱導體的熱阻可以近似計算為：

式中， a ² _in 為入口表面 A _in 的邊長(cháng)(m)。

熱擴散角 α 表示熱導體的一種特性，如果有幾層不同的材質(zhì)，每層的 R _th 必須單獨確定，然后綜合所有熱阻值得出總熱阻。圖三給出了采用兩層不同材質(zhì)散熱時(shí)熱的橫向傳導。

圖三：采用兩層不同材質(zhì)散熱時(shí)熱的橫向傳導

由于熱的橫向傳導，根據方形進(jìn)口表面積：

第一層材料的熱阻為：

而對于第二層材料，第一層的橫向傳導導致第二層入口表面積增大為：

這樣第二層材料的熱阻為：

而它有效的出口面積：

因此，綜合兩層的情況得到總的熱阻為：

分析

基于這知識點(diǎn)，我們可以做什么分析呢？

1

采用相同芯片的銅基板模塊FS50R12KT4_B15比DCB模塊FS50R12W2T4散熱性能好，以50A 1200V IGBT4技術(shù)的模塊為例，結對散熱器的熱阻差48%。

2

由于DCB模塊FS50R12W2T4沒(méi)有銅基板，結對殼的熱阻 R _thJC =0.45k/W，比有銅基板模塊FS50R12KT4_B15熱阻結對殼的熱阻要低一些，因為銅基板引入的熱阻；但DCB模塊殼對散熱器的熱阻要高很多，因為熱擴散效應。

3

單管IKW40N120T2與模塊比，更小的芯片尺寸，40A單管的結對殼的熱阻 R _thJC =0.31k/W，遠低于模塊，這是因為芯片直接焊接在銅框架上，由于熱擴散效應，散熱更好。

4

4個(gè)芯片比單個(gè)芯片散熱要好。

要驗證我們的猜想4個(gè)芯片通過(guò)并聯(lián)實(shí)現大電流要比單個(gè)大電流芯片散熱要好，可以研究圖二中的 A _out 的值。

我們做一個(gè)paper design，把4個(gè)50A 1200V芯片IGC50T120T6RQ，取代單個(gè)200A 1200V芯片，為了簡(jiǎn)化問(wèn)題，我們假設芯片是直接燒結在3mm厚的銅板上，并假設熱擴散角是45度。

通過(guò)下表的計算發(fā)現，4個(gè)50A芯片的 A _out =100.9*4=403.6mm2，比單個(gè)200A芯片280mm2要大44%，散熱更好。

總結

本文第一章摘自參考資料《IGBT模塊：技術(shù)、驅動(dòng)和應用》，通過(guò)分析各種封裝產(chǎn)品的數值給讀者量化的概念，供參考。