功率器件的熱設計基礎（一）---功率半導體的熱阻

/ 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。

散熱

功率半導體器件在開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程中和導通電流時(shí)會(huì )產(chǎn)生損耗，損失的能量會(huì )轉化為熱能，表現為半導體器件發(fā)熱，器件的發(fā)熱會(huì )造成器件各點(diǎn)溫度的升高。

半導體器件的溫度升高，取決于產(chǎn)生熱量多少（損耗）和散熱效率（散熱通路的熱阻）。

IGBT模塊的風(fēng)冷散熱

IGBT模塊的風(fēng)冷散熱是典型的散熱系統，同時(shí)包含了散熱的形式三種: 熱傳導、熱輻射和熱對流。

熱傳導：

熱傳導是指固體或液體之間因為溫度差而產(chǎn)生熱量傳遞或擴散的現象。熱傳導的特性可以類(lèi)比為電氣工程中的歐姆定律，如圖所示。熱能工程中的熱源就像電氣工程中的電源，熱能工程中的受熱體就像是電氣工程中的負載，電氣工程有電阻電容元件，熱能工程也有類(lèi)似屬性的元件，稱(chēng)為熱阻和熱容。

熱阻：

熱阻是一個(gè)在熱傳導中至關(guān)重要的概念，它描述了物質(zhì)對熱傳導的阻力，為傳熱過(guò)程中溫度差與熱流量比值。這一參數在電子元器件設計、散熱方案設計等多個(gè)領(lǐng)域都扮演著(zhù)重要角色。

R th =熱阻

P （P th,C ） =功率（熱流量）

ΔT=溫差

這個(gè)定義，就與電路中的歐姆定律一致：

不同介質(zhì)(固體、液體或氣體)導熱能力不同，以熱的形式傳輸熱能的能力定義為導熱系數λ。因為導熱系數是介質(zhì)的特性，所以某種材料的導熱系數可以看作是一個(gè)常數。導熱系數又稱(chēng)熱導率，單位是W/(m·K)。下表給出了一些材料的λ值。

從上表可以看到功率半導體常用材料的導熱系數，如硅的導熱系數是100W/(m·K)，而碳化硅的導熱系數是490W/(m·K)，所以說(shuō)碳化硅散熱性比硅好很多，且優(yōu)于金屬銅25%，甚至比金屬銀還好。

熱阻與導熱系數：

熱阻與導熱介質(zhì)的橫截面積A成反比，與厚度d成正比，其單位是K/W：

金屬鋁和銅有很好的導熱性，常用于制作功率半導體的散熱器，但再好的導體也會(huì )引入熱阻，而且厚度越大，熱阻越高。

有了熱阻和導熱系數的概念，就可以與產(chǎn)品聯(lián)系起來(lái)了：

實(shí)例一

功率模塊的結構和熱阻

熱阻是由材料導熱系數，厚度，面積決定的，一個(gè)實(shí)際帶銅基板的IGBT功率模塊的熱阻分布如下圖所示，芯片焊料導熱性并不好，導熱系數30W/(m·K)左右，但很薄，厚度往往只有0.1mm，所以在功率模塊中熱阻只占4%。而DCB中的陶瓷導熱系數25 W/(m·K)，與焊料差得不多，但厚度有0.38mm，幾乎是焊接層的4倍，所以熱阻占比高達28%。

我們在定義模塊殼到散熱器的熱阻時(shí)，假設導熱硅脂的導熱系數是1W/(m·K)，厚度為30-100um，在芯片的散熱通路中，其占比高達37%，是最大的部分。所以用更好的導熱材料緩解散熱瓶頸，提高功率密度的重要舉措，這為什么英飛凌提供預涂導熱材料的模塊。

實(shí)例二

芯片厚度與熱阻

同樣我們也可以仿真分析一下，芯片厚度對熱阻的影響。

為了簡(jiǎn)化問(wèn)題，我們用采用擴散焊的單管為例，其結構簡(jiǎn)單。由于采用擴散焊，熱阻主要由芯片和銅框架構成，仿真條件：假設硅芯片的面積5.1mm2 ，硅的芯片厚度分別為350um和110um，芯片損耗 170W。

可以直觀(guān)地看清硅導熱性不是特別好，相同條件下，350um的芯片要比110um芯片溫度高15度，原因是芯片的厚度造成的熱阻增大。

但器件的耐壓與漂移區的長(cháng)度和電阻率有關(guān)，太薄的晶圓意味著(zhù)更低的耐壓，太厚漂移區漂移區電阻也更大，熱阻也增加，英飛凌開(kāi)發(fā)IGBT薄晶圓技術(shù)就是一種完美的設計。

實(shí)例三

SiC碳化硅芯片的熱優(yōu)勢

功率開(kāi)關(guān)器件的耐壓與其漂移區的長(cháng)度和電阻率有關(guān)，而MOSFET是單極性功率開(kāi)關(guān)器件，其通態(tài)電阻又直接決定于漂移區的長(cháng)度和電阻率，與其制造材料臨界擊穿電場(chǎng)強度的立方成反比。因為4H-SiC有10倍于Si的臨界擊穿電場(chǎng)強度，因此基于SiC的功率器件允許使用更薄的漂移區來(lái)維持更高的阻斷電壓，從而顯著(zhù)降低了正向壓降以及導通損耗，同時(shí)減小熱阻。

做一個(gè)paper design例子，如果要獲得5000V的耐壓，使用摻雜為2.5*10 13 /cm 3 的襯底材料，Si基功率器件需要漂移層厚度0.5mm，單位面積電阻為10Ωcm 2 ；SiC MOSFET使用摻雜為2.0*10 15 /cm 3 的漂移層，需要的厚度僅有0.05mm，單位面積電阻僅為0.02Ωcm 2 。

同時(shí)碳化硅的導熱系數是490W/(m·K)，所以碳化硅芯片可以實(shí)現很高的功率密度，就是說(shuō)，芯片面積很小，也可以保證芯片的散熱。

SiC的禁帶寬度3.23ev，相應的本征溫度可高達800攝氏度。如果能夠突破材料及封裝的溫度瓶頸，則功率器件的工作溫度將會(huì )提升到一個(gè)全新的高度。