【導讀】功率半導體熱設計是實現IGBT
、碳化矽SiC高gao功gong率lv密mi度du的de基ji礎chu，隻zhi有you掌zhang握wo功gong率lv半ban導dao體ti的de熱re設she計ji基ji礎chu知zhi識shi
，才cai能neng完wan成cheng精jing確que熱re設she計ji，提ti高gao功gong率lv器qi件jian的de利li用yong率lv

，降jiang低di係xi統tong成cheng本ben，並bing保bao證zheng係xi統tong的de可ke靠kao性xing。

前言

功率半導體熱設計是實現IGBT、碳化矽SiC高gao功gong率lv密mi度du的de基ji礎chu，隻zhi有you掌zhang握wo功gong率lv半ban導dao體ti的de熱re設she計ji基ji礎chu知zhi識shi，才cai能neng完wan成cheng精jing確que熱re設she計ji，提ti高gao功gong率lv器qi件jian的de利li用yong率lv，降jiang低di係xi統tong成cheng本ben
，並bing保bao證zheng係xi統tong的de可ke靠kao性xing。

功率器件熱設計基礎係列文章會比較係統地講解熱設計基礎知識，相關標準和工程測量方法。

散熱

gonglvbandaotiqijianzaikaitongheguanduanguochengzhonghedaotongdianliushihuichanshengsunhao，sunshidenenglianghuizhuanhuaweireneng，biaoxianweibandaotiqijianfare，qijiandefarehuizaochengqijiangedianwendudeshenggao。

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

IGBT模塊的風冷散熱

IGBT模塊的風冷散熱是典型的散熱係統，同時包含了散熱的形式三種:熱傳導、熱輻射和熱對流。

熱傳導：

熱(re)傳(chuan)導(dao)是(shi)指(zhi)固(gu)體(ti)或(huo)液(ye)體(ti)之(zhi)間(jian)因(yin)為(wei)溫(wen)度(du)差(cha)而(er)產(chan)生(sheng)熱(re)量(liang)傳(chuan)遞(di)或(huo)擴(kuo)散(san)的(de)現(xian)象(xiang)。熱(re)傳(chuan)導(dao)的(de)特(te)性(xing)可(ke)以(yi)類(lei)比(bi)為(wei)電(dian)氣(qi)工(gong)程(cheng)中(zhong)的(de)歐(ou)姆(mu)定(ding)律(lv)，如(ru)圖(tu)所(suo)示(shi)。熱(re)能(neng)工(gong)程(cheng)中(zhong)的(de)熱(re)源(yuan)就(jiu)像(xiang)電(dian)氣(qi)工(gong)程(cheng)中(zhong)的(de)電(dian)源(yuan)
，熱(re)能(neng)工(gong)程(cheng)中(zhong)的(de)受(shou)熱(re)體(ti)就(jiu)像(xiang)是(shi)電(dian)氣(qi)工(gong)程(cheng)中(zhong)的(de)負(fu)載(zai)，電(dian)氣(qi)工(gong)程(cheng)有(you)電(dian)阻(zu)電(dian)容(rong)元(yuan)件(jian)
，熱(re)能(neng)工(gong)程(cheng)也(ye)有(you)類(lei)似(si)屬(shu)性(xing)的(de)元(yuan)件(jian)，稱(cheng)為(wei)熱(re)阻(zu)和(he)熱(re)容(rong)。

熱阻：

rezushiyigezairechuandaozhongzhiguanzhongyaodegainian，tamiaoshulewuzhiduirechuandaodezuli，weichuanreguochengzhongwenduchayureliuliangbizhi。zheyicanshuzaidianziyuanqijiansheji、散熱方案設計等多個領域都扮演著重要角色。

Rth=熱阻

P（Pth,C）=功率（熱流量）

ΔT=溫差

這個定義，就與電路中的歐姆定律一致：

不同介質(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係數λ。因為導熱係數是介質的特性，所以某種材料的導熱係數可以看作是一個常數。導熱係數又稱熱導率，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係數，如矽的導熱係數是100W/(m·K)
，而碳化矽的導熱係數是490W/(m·K)
，所以說碳化矽散熱性比矽好很多
，且優於金屬銅25%，甚至比金屬銀還好。

熱阻與導熱係數：

熱阻與導熱介質的橫截麵積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，常用於製作功率半導體的散熱器
，但再好的導體也會引入熱阻，而且厚度越大
，熱阻越高。

有了熱阻和導熱係數的概念
，就可以與產品聯係起來了：

實例一：功率模塊的結構和熱阻

熱阻是由材料導熱係數，厚度
，麵積決定的，一個實際帶銅基板的IGBT功率模塊的熱阻分布如下圖所示

，芯片焊料導熱性並不好，導熱係數30W/(m·K)左右

，但很薄，厚度往往隻有0.1mm，所以在功率模塊中熱阻隻占4%。而DCB中的陶瓷導熱係數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，假設導熱矽脂的導熱係數是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，這為什麼英飛淩提供預塗導熱材料的模塊。

實例二：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。

為了簡化問題，我們用采用擴散焊的單管為例，其結構簡單。由於采用擴散焊，熱阻主要由芯片和銅框架構成
，仿真條件：假設矽芯片的麵積5.1mm² ，矽的芯片厚度分別為350um和110um，芯片損耗 170W。

可以直觀地看清矽導熱性不是特別好
，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度和電阻率有關，太薄的晶圓意味著更低的耐壓
，太厚漂移區漂移區電阻也更大，熱阻也增加，英飛淩開發IGBT薄晶圓技術就是一種完美的設計。

實例三：SiC碳化矽芯片的熱優勢

功率開關器件的耐壓與其漂移區的長度和電阻率有關，而MOSFET是單極性功率開關器件，其通態電阻又直接決定於漂移區的長度和電阻率
，與其製造材料臨界擊穿電場強度的立方成反比。因為4H-SiC有10倍於Si的臨界擊穿電場強度，因此基於SiC的功率器件允許使用更薄的漂移區來維持更高的阻斷電壓
，從而顯著降低了正向壓降以及導通損耗，同時減小熱阻。

做一個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
，單位麵積電阻為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，單位麵積電阻僅為0.02Ωcm2。

同時碳化矽的導熱係數是490W/(m·K)
，所以碳化矽芯片可以實現很高的功率密度，就是說
，芯片麵積很小


，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提升到一個全新的高度。

參考資料

《IGBT模塊：技術
、驅動和應用 》機械工業出版社

（作者： 陳子穎，英飛淩工業半導體）

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