【導讀】任(ren)何(he)導(dao)熱(re)材(cai)料(liao)都(dou)有(you)熱(re)阻(zu)

，而(er)且(qie)熱(re)阻(zu)與(yu)材(cai)料(liao)麵(mian)積(ji)成(cheng)反(fan)比(bi)，與(yu)厚(hou)度(du)成(cheng)正(zheng)比(bi)。按(an)道(dao)理(li)說(shuo)，銅(tong)基(ji)板(ban)也(ye)會(hui)有(you)額(e)外(wai)的(de)熱(re)阻(zu)，那(na)為(wei)什(shen)麼(me)實(shi)際(ji)情(qing)況(kuang)是(shi)有(you)銅(tong)基(ji)板(ban)的(de)模(mo)塊(kuai)散(san)熱(re)更(geng)好(hao)呢(ne)？這(zhe)是(shi)因(yin)為(wei)熱(re)的(de)橫(heng)向(xiang)擴(kuo)散(san)帶(dai)來(lai)的(de)好(hao)處(chu)。

前言

功率半導體熱設計是實現IGBT、碳化矽SiCgaogonglvmidudejichu，zhiyouzhangwogonglvbandaotidereshejijichuzhishi，cainengwanchengjingqueresheji，tigaogonglvqijiandeliyonglv
，jiangdixitongchengben
，bingbaozhengxitongdekekaoxing。

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。

任(ren)何(he)導(dao)熱(re)材(cai)料(liao)都(dou)有(you)熱(re)阻(zu)，而(er)且(qie)熱(re)阻(zu)與(yu)材(cai)料(liao)麵(mian)積(ji)成(cheng)反(fan)比(bi)，與(yu)厚(hou)度(du)成(cheng)正(zheng)比(bi)。按(an)道(dao)理(li)說(shuo)
，銅(tong)基(ji)板(ban)也(ye)會(hui)有(you)額(e)外(wai)的(de)熱(re)阻(zu)，那(na)為(wei)什(shen)麼(me)實(shi)際(ji)情(qing)況(kuang)是(shi)有(you)銅(tong)基(ji)板(ban)的(de)模(mo)塊(kuai)散(san)熱(re)更(geng)好(hao)呢(ne)？這(zhe)是(shi)因(yin)為(wei)熱(re)的(de)橫(heng)向(xiang)擴(kuo)散(san)帶(dai)來(lai)的(de)好(hao)處(chu)。


熱橫向擴散

chulerezurerong
，lingyigeyingxiangbandaotisanredezhongyaowulixiaoyingweiredehengxiangchuandao。zhegeshuyuzhirenengzairedaotineilitijiaochachuanshu，jireliangbujinnengchuizhichuandaoyekeyihengxiangchuandao。genjugongshi1，可由表麵積A和厚度d計算Rth。

如果熱源的熱流Pth,C從一個有限麵向另一個麵積更大的熱導體傳導，熱量的出口麵積Aout比進口表麵積Ain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。


出口表麵積Aout比進口表麵積Ain大多少取決於兩個因素:

1.平板的厚度d
2.熱擴散角α

在熱的橫向傳導時，定為一個方形熱源，熱導體的熱阻可以近似計算為：


式中，a2in為入口表麵Ain的邊長(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，每層的Rth必須單獨確定

，然後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散熱時熱的橫向傳導。


由於熱的橫向傳導，根據方形進口表麵積：


第一層材料的熱阻為：



而對於第二層材料，第一層的橫向傳導導致第二層入口表麵積增大為：


這樣第二層材料的熱阻為：


而它有效的出口麵積：


因此，綜合兩層的情況得到總的熱阻為：


分析

基於這知識點，我們可以做什麼分析呢？

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技術的模塊為例，結對散熱器的熱阻差48%。

由於DCB模塊FS50R12W2T4沒有銅基板，結對殼的熱阻RthJC=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。


單管IKW40N120T2與模塊比
，更小的芯片尺寸

，40A單管的結對殼的熱阻RthJC=0.31k/W，遠低於模塊，這是因為芯片直接焊接在銅框架上，由於熱擴散效應，散熱更好。

4個芯片比單個芯片散熱要好。

要驗證我們的猜想4個芯片通過並聯實現大電流要比單個大電流芯片散熱要好，可以研究圖二中的Aout的值。

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

通過下表的計算發現，4個50A芯片的Aout=100.9*4=403.6mm²，比單個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、驅動和應用》

，通過分析各種封裝產品的數值給讀者量化的概念

，供參考。

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