功率器件热设计基础知识

CHANBAEK 2025-02-03 271

描述

功率器件热设计是实现IGBT、碳化硅SiC等高功率密度器件可靠运行的基础。掌握功率半导体的热设计基础知识，不仅有助于提高功率器件的利用率和系统可靠性，还能有效降低系统成本。本文将从热设计的基本概念、散热形式、热阻与导热系数、功率模块的结构和热阻分析等方面，对功率器件热设计基础知识进行详细讲解。

一、热设计的基本概念

功率半导体器件在开通和关断过程中以及导通电流时会产生损耗，这些损耗的能量会转化为热能，表现为半导体器件发热。器件的发热会导致器件各点温度升高，从而影响器件的性能和可靠性。因此，热设计的主要目标是通过合理的散热设计，确保器件在工作过程中温度保持在安全范围内。

二、散热形式

IGBT模块的风冷散热是典型的散热系统，它包含了三种散热形式：热传导、热辐射和热对流。

热传导：热传导是指固体或液体之间因为温度差而产生热量传递或扩散的现象。在热传导过程中，热量从高温物体传递到低温物体。热传导的特性可以类比为电气工程中的欧姆定律，热能工程中的热源就像电气工程中的电源，受热体就像负载，热阻和热容则类似于电阻和电容。

热辐射：热辐射是物体通过电磁波传递热量的过程。所有温度高于绝对零度的物体都会发射热辐射。热辐射的强度与物体的温度、表面性质和发射率有关。

热对流：热对流是流体（气体或液体）由于温度差引起的流动而传递热量的过程。自然对流是由于温度差引起的流体密度变化而产生的流动，强制对流则是通过外部动力（如风扇）驱动流体流动。

三、热阻与导热系数

热阻和导热系数是热设计中的两个关键参数。

热阻：热阻描述了物质对热传导的阻力，是传热过程中温度差与热流量的比值。热阻的单位是K/W，它表示每瓦功率产生的热量在物体中引起的温度差。热阻的大小取决于材料的导热系数、厚度和横截面积。导热系数越高、厚度越小、横截面积越大，热阻越小。

导热系数：导热系数（又称热导率）是材料以热的形式传输热能的能力，单位是W/(m·K)。导热系数是材料的固有属性，与材料的种类、结构和温度有关。不同材料的导热系数差异很大，例如，硅的导热系数是100W/(m·K)，而碳化硅的导热系数高达490W/(m·K)，优于金属铜25%，甚至比金属银还好。

四、功率模块的结构和热阻分析

功率模块的热阻分布对其散热性能至关重要。以下以一个实际带铜基板的IGBT功率模块为例，分析其热阻分布。

芯片焊料层：芯片焊料层的导热性并不好，导热系数约为30W/(m·K)，但厚度很薄，通常只有0.1mm左右。因此，在功率模块中，芯片焊料层的热阻占比相对较小，通常只占4%左右。

导热硅脂层：导热硅脂层用于填充模块壳与散热器之间的间隙，以提高热传导效率。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，导热硅脂层的热阻占比高达37%，是散热通路中热阻最大的部分。因此，使用更好的导热材料来替代导热硅脂，是缓解散热瓶颈、提高功率密度的重要举措。

芯片厚度：芯片厚度对热阻也有显著影响。以采用扩散焊的单管为例，假设硅芯片的面积为5.1mm²，芯片损耗为170W，分别计算芯片厚度为350um和110um时的温度。由于硅的导热性不是特别好，相同条件下，350um的芯片要比110um的芯片温度高15度。这是因为芯片厚度增加导致热阻增大。然而，器件的耐压与漂移区的长度和电阻率有关，太薄的晶圆意味着更低的耐压，而太厚的漂移区电阻也更大，热阻也增加。因此，在设计中需要权衡耐压和热阻的关系。

五、碳化硅（SiC）芯片的热优势

碳化硅（SiC）材料因其优异的物理和化学性质，在功率半导体领域具有显著优势。以下从耐压、导热系数和禁带宽度等方面分析SiC芯片的热优势。

耐压：功率开关器件的耐压与其漂移区的长度和电阻率有关。而MOSFET是单极性功率开关器件，其通态电阻直接决定于漂移区的长度和电阻率，与其制造材料临界击穿电场强度的立方成反比。因为4H-SiC有10倍于Si的临界击穿电场强度，因此基于SiC的功率器件允许使用更薄的漂移区来维持更高的阻断电压，从而显著降低了正向压降以及导通损耗，同时减小热阻。例如，要获得5000V的耐压，使用掺杂为2.510^13/cm³的衬底材料，Si基功率器件需要漂移层厚度0.5mm，单位面积电阻为10Ωcm²；而SiC MOSFET使用掺杂为2.010^15/cm³的漂移层，需要的厚度仅有0.05mm，单位面积电阻仅为0.02Ωcm²。

导热系数：SiC的导热系数高达490W/(m·K)，远高于Si的100W/(m·K)。因此，SiC芯片在实现高功率密度方面具有显著优势。即使芯片面积很小，也可以保证良好的散热性能。

禁带宽度：SiC的禁带宽度为3.23eV，相应的本征温度可高达800摄氏度。这意味着SiC功率器件可以在更高的温度下工作，从而提高了系统的可靠性和稳定性。如果能够突破材料及封装的温度瓶颈，则功率器件的工作温度将会提升到一个全新的高度。

六、结论与展望

功率器件热设计是实现高功率密度、高可靠性功率系统的关键。通过合理的散热设计，可以有效地降低器件温度，提高器件的利用率和系统可靠性。未来，随着SiC等新材料的广泛应用以及封装技术的不断进步，功率器件的热设计将面临更多挑战和机遇。一方面，需要不断研究新的散热材料和散热技术，以提高散热效率；另一方面，也需要加强热设计与封装设计的协同优化，以实现更高效的散热和更可靠的封装结构。同时，还需要关注热设计对系统性能和成本的影响，以实现综合性能的最优化。

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