/ 前言 /

功率半導(dǎo)體熱設(shè)計是實現(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)計基礎(chǔ)知識，才能完成精確熱設(shè)計，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)計基礎(chǔ)系列文章會比較系統(tǒng)地講解熱設(shè)計基礎(chǔ)知識，相關(guān)標準和工程測量方法。

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，銅基板也會有額外的熱阻，那為什么實際情況是有銅基板的模塊散熱更好呢？這是因為熱的橫向擴散帶來的好處。

熱橫向擴散

除了熱阻熱容，另一個影響半導(dǎo)體散熱的重要物理效應(yīng)為熱的橫向傳導(dǎo)。這個術(shù)語指熱能在熱導(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 計算 R _th 。

如果熱源的熱流 P _th,C 從一個有限面向另一個面積更大的熱導(dǎo)體傳導(dǎo)，熱量的出口面積 A _out 比進口表面積 A _in 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 A _out 比進口表面積 A _in 大多少取決于兩個因素:

1. 平板的厚度 d

2. 熱擴散角 α

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

式中， a ² _in 為入口表面 A _in 的邊長(m)。

熱擴散角 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 R _th 必須單獨確定，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)散熱時熱的橫向傳導(dǎo)。

圖三：采用兩層不同材質(zhì)散熱時熱的橫向傳導(dǎo)

由于熱的橫向傳導(dǎo)，根據(jù)方形進口表面積：

第一層材料的熱阻為：

而對于第二層材料，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

基于這知識點，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)對散熱器的熱阻差48%。

2

由于DCB模塊FS50R12W2T4沒有銅基板，結(jié)對殼的熱阻 R _thJC =0.45k/W，比有銅基板模塊FS50R12KT4_B15熱阻結(jié)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(yīng)。

3

單管IKW40N120T2與模塊比，更小的芯片尺寸，40A單管的結(jié)對殼的熱阻 R _thJC =0.31k/W，遠低于模塊，這是因為芯片直接焊接在銅框架上，由于熱擴散效應(yīng)，散熱更好。

4

4個芯片比單個芯片散熱要好。

要驗證我們的猜想4個芯片通過并聯(lián)實現(xiàn)大電流要比單個大電流芯片散熱要好，可以研究圖二中的 A _out 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(shè)芯片是直接燒結(jié)在3mm厚的銅板上，并假設(shè)熱擴散角是45度。

通過下表的計算發(fā)現(xiàn)，4個50A芯片的 A _out =100.9*4=403.6mm2，比單個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)動和應(yīng)用》，通過分析各種封裝產(chǎn)品的數(shù)值給讀者量化的概念，供參考。