【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：

熱re阻zu是shi一yi個ge在zai熱re傳chuan導dao中zhong至zhi關guan重zhong要yao的de概gai念nian
，它ta描miao述shu了le物wu質zhi對dui熱re傳chuan導dao的de阻zu力li，為wei傳chuan熱re過guo程cheng中zhong溫wen度du差cha與yu熱re流liu量liang比bi值zhi。這zhe一yi參can數shu在zai電dian子zi元yuan器qi件jian設she計ji、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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