功率器件熱設計基礎知識

功率器件熱設計是實現(xiàn)IGBT、碳化硅SiC等高功率密度器件可靠運行的基礎。掌握功率半導體的熱設計基礎知識，不僅有助于提高功率器件的利用率和系統(tǒng)可靠性，還能有效降低系統(tǒng)成本。本文將從熱設計的基本概念、散熱形式、熱阻與導熱系數(shù)、功率模塊的結構和熱阻分析等方面，對功率器件熱設計基礎知識進行詳細講解。

一、熱設計的基本概念

功率半導體器件在開通和關斷過程中以及導通電流時會產生損耗，這些損耗的能量會轉化為熱能，表現(xiàn)為半導體器件發(fā)熱。器件的發(fā)熱會導致器件各點溫度升高，從而影響器件的性能和可靠性。因此，熱設計的主要目標是通過合理的散熱設計，確保器件在工作過程中溫度保持在安全范圍內。

二、散熱形式

IGBT模塊的風冷散熱是典型的散熱系統(tǒng)，它包含了三種散熱形式：熱傳導、熱輻射和熱對流。

熱傳導：熱傳導是指固體或液體之間因為溫度差而產生熱量傳遞或擴散的現(xiàn)象。在熱傳導過程中，熱量從高溫物體傳遞到低溫物體。熱傳導的特性可以類比為電氣工程中的歐姆定律，熱能工程中的熱源就像電氣工程中的電源，受熱體就像負載，熱阻和熱容則類似于電阻和電容。

熱輻射：熱輻射是物體通過電磁波傳遞熱量的過程。所有溫度高于絕對零度的物體都會發(fā)射熱輻射。熱輻射的強度與物體的溫度、表面性質和發(fā)射率有關。

熱對流：熱對流是流體（氣體或液體）由于溫度差引起的流動而傳遞熱量的過程。自然對流是由于溫度差引起的流體密度變化而產生的流動，強制對流則是通過外部動力（如風扇）驅動流體流動。

三、熱阻與導熱系數(shù)

熱阻和導熱系數(shù)是熱設計中的兩個關鍵參數(shù)。

熱阻：熱阻描述了物質對熱傳導的阻力，是傳熱過程中溫度差與熱流量的比值。熱阻的單位是K/W，它表示每瓦功率產生的熱量在物體中引起的溫度差。熱阻的大小取決于材料的導熱系數(shù)、厚度和橫截面積。導熱系數(shù)越高、厚度越小、橫截面積越大，熱阻越小。

導熱系數(shù)：導熱系數(shù)（又稱熱導率）是材料以熱的形式傳輸熱能的能力，單位是W/(m·K)。導熱系數(shù)是材料的固有屬性，與材料的種類、結構和溫度有關。不同材料的導熱系數(shù)差異很大，例如，硅的導熱系數(shù)是100W/(m·K)，而碳化硅的導熱系數(shù)高達490W/(m·K)，優(yōu)于金屬銅25%，甚至比金屬銀還好。

四、功率模塊的結構和熱阻分析

功率模塊的熱阻分布對其散熱性能至關重要。以下以一個實際帶銅基板的IGBT功率模塊為例，分析其熱阻分布。

芯片焊料層：芯片焊料層的導熱性并不好，導熱系數(shù)約為30W/(m·K)，但厚度很薄，通常只有0.1mm左右。因此，在功率模塊中，芯片焊料層的熱阻占比相對較小，通常只占4%左右。

導熱硅脂層：導熱硅脂層用于填充模塊殼與散熱器之間的間隙，以提高熱傳導效率。假設導熱硅脂的導熱系數(shù)是1W/(m·K)，厚度為30-100um，在芯片的散熱通路中，導熱硅脂層的熱阻占比高達37%，是散熱通路中熱阻最大的部分。因此，使用更好的導熱材料來替代導熱硅脂，是緩解散熱瓶頸、提高功率密度的重要舉措。

芯片厚度：芯片厚度對熱阻也有顯著影響。以采用擴散焊的單管為例，假設硅芯片的面積為5.1mm2，芯片損耗為170W，分別計算芯片厚度為350um和110um時的溫度。由于硅的導熱性不是特別好，相同條件下，350um的芯片要比110um的芯片溫度高15度。這是因為芯片厚度增加導致熱阻增大。然而，器件的耐壓與漂移區(qū)的長度和電阻率有關，太薄的晶圓意味著更低的耐壓，而太厚的漂移區(qū)電阻也更大，熱阻也增加。因此，在設計中需要權衡耐壓和熱阻的關系。

五、碳化硅（SiC）芯片的熱優(yōu)勢

碳化硅（SiC）材料因其優(yōu)異的物理和化學性質，在功率半導體領域具有顯著優(yōu)勢。以下從耐壓、導熱系數(shù)和禁帶寬度等方面分析SiC芯片的熱優(yōu)勢。

耐壓：功率開關器件的耐壓與其漂移區(qū)的長度和電阻率有關。而MOSFET是單極性功率開關器件，其通態(tài)電阻直接決定于漂移區(qū)的長度和電阻率，與其制造材料臨界擊穿電場強度的立方成反比。因為4H-SiC有10倍于Si的臨界擊穿電場強度，因此基于SiC的功率器件允許使用更薄的漂移區(qū)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。例如，要獲得5000V的耐壓，使用摻雜為2.510^13/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；而SiC MOSFET使用摻雜為2.010^15/cm3的漂移層，需要的厚度僅有0.05mm，單位面積電阻僅為0.02Ωcm2。

導熱系數(shù)：SiC的導熱系數(shù)高達490W/(m·K)，遠高于Si的100W/(m·K)。因此，SiC芯片在實現(xiàn)高功率密度方面具有顯著優(yōu)勢。即使芯片面積很小，也可以保證良好的散熱性能。

禁帶寬度：SiC的禁帶寬度為3.23eV，相應的本征溫度可高達800攝氏度。這意味著SiC功率器件可以在更高的溫度下工作，從而提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。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。

六、結論與展望

功率器件熱設計是實現(xiàn)高功率密度、高可靠性功率系統(tǒng)的關鍵。通過合理的散熱設計，可以有效地降低器件溫度，提高器件的利用率和系統(tǒng)可靠性。未來，隨著SiC等新材料的廣泛應用以及封裝技術的不斷進步，功率器件的熱設計將面臨更多挑戰(zhàn)和機遇。一方面，需要不斷研究新的散熱材料和散熱技術，以提高散熱效率；另一方面，也需要加強熱設計與封裝設計的協(xié)同優(yōu)化，以實現(xiàn)更高效的散熱和更可靠的封裝結構。同時，還需要關注熱設計對系統(tǒng)性能和成本的影響，以實現(xiàn)綜合性能的最優(yōu)化。