前言 功率半導體熱設計是實現IGBT、碳化矽SiC高功率密度的基礎，只有掌握功率半導體的熱設計基礎知識，才能完成精確熱設計，提高功率器件的利用率，降低系統成本，並保證系統的可靠性。 功率半導體器件在開通和關斷過程中和導通電流時會產生損耗，損失的能量會轉化為熱能，表現為半導體器件發熱，器件的發熱會造成器件各點溫度的升高。半導體器件的溫度升高，取決於產生熱量多少（損耗）和散熱效率（散熱通路的熱阻）。
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象。熱傳導的特性可以類比為電氣工程中的歐姆定律，如圖所示。熱能工程中的熱源就像電氣工程中的電源，熱能工程中的受熱體就像是電氣工程中的負載，電氣工程有電阻電容元件，熱能工程也有類似屬性的元件，稱為熱阻和熱容。 熱阻： 熱阻是一個在熱傳導中至關重要的概念，它描述了物質對熱傳導的阻力，為傳熱過程中溫度差與熱流量比值。這一參數在電子元器件設計、散熱方案設計等多個領域都扮演著重要角色。 Rth=熱阻 P（Pth,C）=功率（熱流量） ΔT=溫差 這個定義，就與電路中的歐姆定律一致：
熱阻與導熱介質的橫截面積A成反比，與厚度d成正比，其單位是K/W： 金屬鋁和銅有很好的導熱性，常用於製作功率半導體的散熱器，但再好的導體也會引入熱阻，而且厚度越大，熱阻越高。 有了熱阻和導熱係數的概念，就可以與產品聯繫起來了： 實例一 功率模塊的結構和熱阻  熱阻是由材料導熱係數，厚度，面積決定的，一個實際帶銅基板的IGBT功率模塊的熱阻分布如下圖所示，晶片焊料導熱性並不好，導熱係數30W/(m·K)左右，但很薄，厚度往往只有0.1mm，所以在功率模塊中熱阻只占4%。而DCB中的陶瓷導熱係數25 W/(m·K)，與焊料差得不多，但厚度有0.38mm，幾乎是焊接層的4倍，所以熱阻占比高達28%。 我們在定義模塊殼到散熱器的熱阻時，假設導熱矽脂的導熱係數是1W/(m·K)，厚度為30-100um，在晶片的散熱通路中，其占比高達37%，是最大的部分。所以用更好的導熱材料緩解散熱瓶頸，提高功率密度的重要舉措，這為什麼英飛凌提供預塗導熱材料的模塊。
同樣我們也可以仿真分析一下，晶片厚度對熱阻的影響。 為了簡化問題，我們用採用擴散焊的單管為例，其結構簡單。由於採用擴散焊，熱阻主要由晶片和銅框架構成，仿真條件：假設矽晶片的面積5.1mm² ，矽的晶片厚度分別為350um和110um，晶片損耗 170W。 可以直觀地看清矽導熱性不是特別好，相同條件下，350um的晶片要比110um晶片溫度高15度，原因是晶片的厚度造成的熱阻增大。
同時碳化矽的導熱係數是490W/(m·K)，所以碳化矽晶片可以實現很高的功率密度，就是說，晶片面積很小，也可以保證晶片的散熱。 |
