功率器件熱設(shè)計(jì)基礎(chǔ)（九）——功率半導(dǎo)體模塊的熱擴(kuò)散

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。

任何導(dǎo)熱材料都有熱阻，而且熱阻與材料面積成反比，與厚度成正比。按道理說(shuō)，銅基板也會(huì)有額外的熱阻，那為什么實(shí)際情況是有銅基板的模塊散熱更好呢？這是因?yàn)闊岬臋M向擴(kuò)散帶來(lái)的好處。

熱橫向擴(kuò)散

除了熱阻熱容，另一個(gè)影響半導(dǎo)體散熱的重要物理效應(yīng)為熱的橫向傳導(dǎo)。這個(gè)術(shù)語(yǔ)指熱能在熱導(dǎo)體內(nèi)立體交叉?zhèn)鬏?，即熱量不僅能垂直傳導(dǎo)也可以橫向傳導(dǎo)。根據(jù)公式1，可由表面積A和厚度d計(jì)算Rth。

如果熱源的熱流Pth,C從一個(gè)有限面向另一個(gè)面積更大的熱導(dǎo)體傳導(dǎo)，熱量的出口面積Aout比進(jìn)口表面積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。

圖一：平板上熱的橫向傳導(dǎo)

圖二：平板中熱的橫向傳導(dǎo)

出口表面積Aout比進(jìn)口表面積Ain大多少取決于兩個(gè)因素:

1.平板的厚度d

2.熱擴(kuò)散角α

在熱的橫向傳導(dǎo)時(shí)，定為一個(gè)方形熱源，熱導(dǎo)體的熱阻可以近似計(jì)算為：

式中，a2in為入口表面Ain的邊長(zhǎng)(m)。

熱擴(kuò)散角α表示熱導(dǎo)體的一種特性，如果有幾層不同的材質(zhì)，每層的Rth必須單獨(dú)確定，然后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(zhì)散熱時(shí)熱的橫向傳導(dǎo)。

圖三：采用兩層不同材質(zhì)散熱時(shí)熱的橫向傳導(dǎo)

由于熱的橫向傳導(dǎo)，根據(jù)方形進(jìn)口表面積：

第一層材料的熱阻為：

而對(duì)于第二層材料，第一層的橫向傳導(dǎo)導(dǎo)致第二層入口表面積增大為：

這樣第二層材料的熱阻為：

而它有效的出口面積：

因此，綜合兩層的情況得到總的熱阻為：

分析

基于這知識(shí)點(diǎn)，我們可以做什么分析呢？

1

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(shù)的模塊為例，結(jié)對(duì)散熱器的熱阻差48%。

2

由于DCB模塊FS50R12W2T4沒(méi)有銅基板，結(jié)對(duì)殼的熱阻RthJC=0.45k/W，比有銅基板模塊FS50R12KT4_B15熱阻結(jié)對(duì)殼的熱阻要低一些，因?yàn)殂~基板引入的熱阻；但DCB模塊殼對(duì)散熱器的熱阻要高很多，因?yàn)闊釘U(kuò)散效應(yīng)。

3

單管IKW40N120T2與模塊比，更小的芯片尺寸，40A單管的結(jié)對(duì)殼的熱阻RthJC=0.31k/W，遠(yuǎn)低于模塊，這是因?yàn)樾酒苯雍附釉阢~框架上，由于熱擴(kuò)散效應(yīng)，散熱更好。

4

4個(gè)芯片比單個(gè)芯片散熱要好。

要驗(yàn)證我們的猜想4個(gè)芯片通過(guò)并聯(lián)實(shí)現(xiàn)大電流要比單個(gè)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(gè)paper design，把4個(gè)50A 1200V芯片IGC50T120T6RQ，取代單個(gè)200A 1200V芯片，為了簡(jiǎn)化問(wèn)題，我們假設(shè)芯片是直接燒結(jié)在3mm厚的銅板上，并假設(shè)熱擴(kuò)散角是45度。

通過(guò)下表的計(jì)算發(fā)現(xiàn)，4個(gè)50A芯片的Aout=100.9*4=403.6mm2，比單個(gè)200A芯片280mm2要大44%，散熱更好。

總結(jié)

本文第一章摘自參考資料《IGBT模塊：技術(shù)、驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用》，通過(guò)分析各種封裝產(chǎn)品的數(shù)值給讀者量化的概念，供參考。