功率器件热设计基础（九）——功率半导体模块的热扩散

作者：陈子颖

前言

功率半导体热设计是实现IGBT、碳化硅SiC高功率密度的基础，只有掌握功率半导体的热设计基础知识，才能完成精确热设计，提高功率器件的利用率，降低系统成本，并保证系统的可靠性。

功率器件热设计基础系列文章会比较系统地讲解热设计基础知识，相关标准和工程测量方法。

任何导热材料都有热阻，而且热阻与材料面积成反比，与厚度成正比。按道理说，铜基板也会有额外的热阻，那为什么实际情况是有铜基板的模块散热更好呢？这是因为热的横向扩散带来的好处。


热横向扩散

除了热阻热容，另一个影响半导体散热的重要物理效应为热的横向传导。这个术语指热能在热导体内立体交叉传输，即热量不仅能垂直传导也可以横向传导。根据公式1，可由表面积A和厚度d计算R_th。

如果热源的热流P_th,C从一个有限面向另一个面积更大的热导体传导，热量的出口面积A_out比进口表面积A_in大，因此热流密度不断减小，但总热量不变，如图一和图二所示。


出口表面积A_out比进口表面积A_in大多少取决于两个因素:

1.平板的厚度d
2.热扩散角α

在热的横向传导时，定为一个方形热源，热导体的热阻可以近似计算为：


式中，a²_in为入口表面A_in的边长(m)。

热扩散角α表示热导体的一种特性，如果有几层不同的材质，每层的R_th必须单独确定，然后综合所有热阻值得出总热阻。图三给出了采用两层不同材质散热时热的横向传导。


由于热的横向传导，根据方形进口表面积：


第一层材料的热阻为：



而对于第二层材料，第一层的横向传导导致第二层入口表面积增大为：


这样第二层材料的热阻为：


而它有效的出口面积：


因此，综合两层的情况得到总的热阻为：


分析

基于这知识点，我们可以做什么分析呢？

采用相同芯片的铜基板模块FS50R12KT4_B15比DCB模块FS50R12W2T4散热性能好，以50A 1200V IGBT4技术的模块为例，结对散热器的热阻差48%。

由于DCB模块FS50R12W2T4没有铜基板，结对壳的热阻R_thJC=0.45k/W，比有铜基板模块FS50R12KT4_B15热阻结对壳的热阻要低一些，因为铜基板引入的热阻；但DCB模块壳对散热器的热阻要高很多，因为热扩散效应。


单管IKW40N120T2与模块比，更小的芯片尺寸，40A单管的结对壳的热阻R_thJC=0.31k/W，远低于模块，这是因为芯片直接焊接在铜框架上，由于热扩散效应，散热更好。

4个芯片比单个芯片散热要好。

要验证我们的猜想4个芯片通过并联实现大电流要比单个大电流芯片散热要好，可以研究图二中的A_out的值。

我们做一个paper design，把4个50A 1200V芯片IGC50T120T6RQ，取代单个200A 1200V芯片，为了简化问题，我们假设芯片是直接烧结在3mm厚的铜板上，并假设热扩散角是45度。

通过下表的计算发现，4个50A芯片的A_out=100.9*4=403.6mm²，比单个200A芯片280mm²要大44%，散热更好。


总结

本文第一章摘自参考资料《IGBT模块：技术、驱动和应用》，通过分析各种封装产品的数值给读者量化的概念，供参考。