功率器件的热设计根底（一）

/ 媒介 /本文援用地点：功率半导体热计划是实现IGBT、碳化硅SiC高功率密度的基本，只有控制功率半导体的热计划基本常识，才干实现准确热计划，进步功率器件的应用率，下降体系本钱，并保障体系的牢靠性。功率器件热计划基本系列文章会比拟体系地讲授热计划基本常识，相干尺度跟工程丈量方式。散热功率半导体器件在开明跟关断进程中跟导通电流时会发生消耗，丧失的能量会转化为热能，表示为半导体器件发烧，器件的发烧会形成器件各点温度的降低。半导体器件的温度降低，取决于发生热量几多（消耗）跟散热效力。IGBT模块的风冷散热IGBT模块的风冷散热是典范的散热体系，同时包括了散热的情势三种: 热传导、热辐射跟热对流。热传导：热传导是指固体或液体之间由于温度差而发生热量通报或分散的景象。热传导的特征能够类比为电气工程中的欧姆定律，如图所示。热能工程中的热源就像电气工程中的电源，热能工程中的受热体就像是电气工程中的负载，电气工程有电阻电容元件，热能工程也有相似属性的元件，称为热阻跟热容。热阻是一个在热传导中至关主要的观点，它描写了物资对热传导的阻力，为传热进程中温度差与热流量比值。这一参数在电子元器件计划、散热计划计划等多个范畴都表演侧重要脚色。R th =热阻P （P th,C ） =功率（热流量）ΔT=温差这个界说，就与电路中的欧姆定律分歧：差别介质(固体、液体或气体)导热才能差别，以热的情势传输热能的才能界说为导热系数λ。由于导热系数是介质的特征，以是某种资料的导热系数能够看作是一个常数。导热系数又称热导率，单元是W/(m·K)。下表给出了一些资料的λ值。从上表能够看到功率半导体常用资料的导热系数，如硅的导热系数是100W/(m·K)，而碳化硅的导热系数是490W/(m·K)，以是说碳化硅散热性比硅好良多，且优于金属铜25%，乃至比金属银还好。热阻与导热系数：热阻与导热介质的横截面积A成正比，与厚度d成正比，其单元是K/W：金属铝跟铜有很好的导热性，常用于制造功率半导体的散热器，但再好的导体也会引入热阻，并且厚度越年夜，热阻越高。有了热阻跟导热系数的观点，就能够与产物接洽起来了：实例一功率模块的构造跟热阻热阻是由资料导热系数，厚度，面积决议的，一个现实带铜基板的IGBT功率模块的热阻散布如下图所示，芯片焊料导热性并欠好，导热系数30W/(m·K)阁下，但很薄，厚度每每只有0.1mm，以是在功率模块中热阻只占4%。而DCB中的陶瓷导热系数25 W/(m·K)，与焊料差得未几，但厚度有0.38mm，多少乎是焊接层的4倍，以是热阻占比高达28%。咱们在界说模块壳到散热器的热阻时，假设导热硅脂的导热系数是1W/(m·K)，厚度为30-100um，在芯片的散热通路中，其占比高达37%，是最年夜的局部。以是用更好的导热资料缓遣散热瓶颈，进步功率密度的主要举动，这为什么供给预涂导热资料的模块。实例二芯片厚度与热阻同样咱们也能够仿真剖析一下，芯片厚度对热阻的影响。为了简化成绩，咱们用采取分散焊的单管为例，其构造简略。因为采取分散焊，热阻重要由芯片跟铜框架形成，仿真前提：假设硅芯片的面积5.1mm² ，硅的芯片厚度分辨为350um跟110um，芯片消耗 170W。能够直不雅地看清硅导热性不是特殊好，雷同前提下，350um的芯片要比110um芯片温度高15度，起因是芯片的厚度形成的热阻增年夜。但器件的耐压与漂移区的长度跟电阻率有关，太薄的晶圆象征着更低的耐压，太厚漂移区漂移区电阻也更年夜，热阻也增添，英飞凌开辟IGBT薄晶圆技巧就是一种完善的计划。实例三SiC碳化硅芯片的热上风功率开关器件的耐压与其漂移区的长度跟电阻率有关，而MOSFET是单极性功率开关器件，其通态电阻又直接决议于漂移区的长度跟电阻率，与其制作资料临界击穿电场强度的破方成正比。由于4H-SiC有10倍于Si的临界击穿电场强度，因而基于SiC的功率器件容许应用更薄的漂移区来保持更高的阻断电压，从而明显下降了正向压降以及导通消耗，同时减小热阻。做一个paper design例子，假如要取得5000V的耐压，应用掺杂为2.5*10 13 /cm 3 的衬底资料，Si基功率器件须要漂移层厚度0.5mm，单元面积电阻为10Ωcm 2 ；SiC MOSFET应用掺杂为2.0*10 15 /cm 3 的漂移层，须要的厚度仅有0.05mm，单元面积电阻仅为0.02Ωcm 2 。同时碳化硅的导热系数是490W/(m·K)，以是碳化硅芯片能够实现很高的功率密度，就是说，芯单方面积很小，也能够保障芯片的散热。SiC的禁带宽度3.23ev，响应的本征温度可高达800摄氏度。假如可能冲破资料及封装的温度瓶颈，则功率器件的任务温度将会晋升到一个全新的高度。