功率器件熱設(shè)計(jì)基礎(chǔ)（一）——功率半導(dǎo)體的熱阻

/ 前言 /

功率半導(dǎo)體熱設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)IGBT、碳化硅SiC高功率密度的基礎(chǔ)，只有掌握功率半導(dǎo)體的熱設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)，才能完成精確熱設(shè)計(jì)，提高功率器件的利用率，降低系統(tǒng)成本，并保證系統(tǒng)的可靠性。

功率器件熱設(shè)計(jì)基礎(chǔ)系列文章會(huì)比較系統(tǒng)地講解熱設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和工程測(cè)量方法。

散熱

功率半導(dǎo)體器件在開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程中和導(dǎo)通電流時(shí)會(huì)產(chǎn)生損耗，損失的能量會(huì)轉(zhuǎn)化為熱能，表現(xiàn)為半導(dǎo)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(dǎo)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(tǒng)，同時(shí)包含了散熱的形式三種:熱傳導(dǎo)、熱輻射和熱對(duì)流。

熱傳導(dǎo)：

熱傳導(dǎo)是指固體或液體之間因?yàn)闇囟炔疃a(chǎn)生熱量傳遞或擴(kuò)散的現(xiàn)象。熱傳導(dǎo)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(fù)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(dǎo)中至關(guān)重要的概念，它描述了物質(zhì)對(duì)熱傳導(dǎo)的阻力，為傳熱過(guò)程中溫度差與熱流量比值。這一參數(shù)在電子元器件設(shè)計(jì)、散熱方案設(shè)計(jì)等多個(gè)領(lǐng)域都扮演著重要角色。

Rth=熱阻

P（Pth,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(dǎo)熱能力不同，以熱的形式傳輸熱能的能力定義為導(dǎo)熱系數(shù)λ。因?yàn)閷?dǎo)熱系數(shù)是介質(zhì)的特性，所以某種材料的導(dǎo)熱系數(shù)可以看作是一個(gè)常數(shù)。導(dǎo)熱系數(shù)又稱(chēng)熱導(dǎo)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(dǎo)體常用材料的導(dǎo)熱系數(shù)，如硅的導(dǎo)熱系數(shù)是100W/(m·K)，而碳化硅的導(dǎo)熱系數(shù)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(dǎo)熱系數(shù)：

熱阻與導(dǎo)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(dǎo)熱性，常用于制作功率半導(dǎo)體的散熱器，但再好的導(dǎo)體也會(huì)引入熱阻，而且厚度越大，熱阻越高。

有了熱阻和導(dǎo)熱系數(shù)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(jié)構(gòu)和熱阻

熱阻是由材料導(dǎo)熱系數(shù)，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(dǎo)熱性并不好，導(dǎo)熱系數(shù)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(dǎo)熱系數(shù)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(dá)28%。

我們?cè)诙x模塊殼到散熱器的熱阻時(shí)，假設(shè)導(dǎo)熱硅脂的導(dǎo)熱系數(shù)是1W/(m·K)，厚度為30-100um，在芯片的散熱通路中，其占比高達(dá)37%，是最大的部分。所以用更好的導(dǎo)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(yù)涂導(dǎo)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(duì)熱阻的影響。

為了簡(jiǎn)化問(wèn)題，我們用采用擴(kuò)散焊的單管為例，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。由于采用擴(kuò)散焊，熱阻主要由芯片和銅框架構(gòu)成，仿真條件：假設(shè)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。

可以直觀地看清硅導(dǎo)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(qū)的長(zhǎng)度和電阻率有關(guān)，太薄的晶圓意味著更低的耐壓，太厚漂移區(qū)漂移區(qū)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(shè)計(jì)。

實(shí)例三

SiC碳化硅芯片的熱優(yōu)勢(shì)

功率開(kāi)關(guān)器件的耐壓與其漂移區(qū)的長(zhǎng)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(qū)的長(zhǎng)度和電阻率，與其制造材料臨界擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度的立方成反比。因?yàn)?H-SiC有10倍于Si的臨界擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度，因此基于SiC的功率器件允許使用更薄的漂移區(qū)來(lái)維持更高的阻斷電壓，從而顯著降低了正向壓降以及導(dǎo)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*1013/cm3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10Ωcm2；SiC MOSFET使用摻雜為2.0*1015/cm3的漂移層，需要的厚度僅有0.05mm，單位面積電阻僅為0.02Ωcm2。

同時(shí)碳化硅的導(dǎo)熱系數(shù)是490W/(m·K)，所以碳化硅芯片可以實(shí)現(xiàn)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(yīng)的本征溫度可高達(dá)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。