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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。

一、功率半導(dǎo)體熱阻的概述

1、熱阻定義

功率半導(dǎo)的熱阻，英文全稱：Thermal Resistance，簡稱：Rth。它是衡量功率半導(dǎo)體器件（如 IGBT、MOSFET、二極管等）散熱能力的核心熱性能參數(shù)，定義為：器件在穩(wěn)定熱傳導(dǎo)狀態(tài)下，單位熱流量（功率損耗）所引起的兩端溫度差，本質(zhì)反映熱量從器件發(fā)熱核心（如芯片結(jié)區(qū)）傳遞到散熱終點（如外殼、散熱器或環(huán)境）過程中受到的阻礙程度。

熱阻（Rθ）定義為傳熱過程中溫度差與熱流量的比值，公式為：

其中：

Rθ：熱阻（單位：℃/W 或 K/W，兩者數(shù)值等價，因溫度差單位一致）；

ΔT：熱傳導(dǎo)路徑兩端的溫度差（如芯片結(jié)溫 Tj與外殼溫度 Tc的差值 Tj?Tc）；

P：為熱流量，熱阻與導(dǎo)熱系數(shù)成反比，與材料厚度成正比；

另外，要想更好地理解熱阻（Rth），還可通過類比電學(xué)中的歐姆定律能更好地理解熱阻。在電學(xué)中，電壓差驅(qū)動電流，電阻阻礙電流；在熱學(xué)中，溫差驅(qū)動熱流，熱阻阻礙熱流。電流為電荷的流動速率，熱功率為熱量的流動速率。

2、功率半導(dǎo)體的散熱

功率半導(dǎo)體器件在開通和關(guān)斷過程中和導(dǎo)通電流時會產(chǎn)生損耗，損失的能量會轉(zhuǎn)化為熱能，表現(xiàn)為半導(dǎo)體器件發(fā)熱，器件的發(fā)熱會造成器件各點溫度的升高。半導(dǎo)體器件的溫度升高，取決于產(chǎn)生熱量多少（損耗）和散熱效率（散熱通路的熱阻）。

IGBT模塊的風(fēng)冷散熱是典型的散熱系統(tǒng)，同時包含了散熱的形式三種:熱傳導(dǎo)、熱輻射和熱對流。

3、功率半導(dǎo)體的熱傳導(dǎo)

熱傳導(dǎo)是指固體或液體之間因為溫度差而產(chǎn)生熱量傳遞或擴(kuò)散的現(xiàn)象。熱傳導(dǎo)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(fù)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。

所以，熱阻（Rth）是一個在熱傳導(dǎo)中至關(guān)重要的概念，它描述了物質(zhì)對熱傳導(dǎo)的阻力，為傳熱過程中溫度差與熱流量比值。這一參數(shù)在電子元器件設(shè)計、散熱方案設(shè)計等多個領(lǐng)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：Rel. = U/I

不同介質(zhì)(固體、液體或氣體)導(dǎo)熱能力不同，以熱的形式傳輸熱能的能力定義為導(dǎo)熱系數(shù)λ。因為導(dǎo)熱系數(shù)是介質(zhì)的特性，所以某種材料的導(dǎo)熱系數(shù)可以看作是一個常數(shù)。導(dǎo)熱系數(shù)又稱熱導(dǎo)率，單位是W/(m·K)。下表給出了一些材料的λ值。

二、功率半導(dǎo)體熱阻（Rth）的分類

1、結(jié)殼熱阻（Rth(j-c)）

指芯片的結(jié)（熱源）到外殼之間的熱阻，是功率半導(dǎo)體器件規(guī)格書中常標(biāo)注的參數(shù)之一，反映了熱量從芯片結(jié)區(qū)傳導(dǎo)到外殼的難易程度。

2、結(jié)環(huán)熱阻（Rth(j-a)）

指芯片結(jié)到周圍環(huán)境空氣的熱阻，它綜合考慮了從結(jié)到外殼，再從外殼到環(huán)境空氣的整個熱傳遞路徑的阻力。

3、其他熱阻（Rth）

還有結(jié)到電路板的熱阻（Rth(j-b)）等，用于描述芯片結(jié)與不同位置之間的熱傳遞特性。

三、功率半導(dǎo)體熱阻（Rth）的導(dǎo)熱系數(shù)

熱阻與導(dǎo)熱介質(zhì)的橫截面積A成反比，與厚度d成正比，其單位是K/W：

Rth = d/λA

金屬鋁和銅有很好的導(dǎo)熱性，常用于制作功率半導(dǎo)體的散熱器，但再好的導(dǎo)體也會引入熱阻，而且厚度越大，熱阻越高。

有了熱阻和導(dǎo)熱系數(shù)的概念，就可以與產(chǎn)品聯(lián)系起來了：

熱阻（Rth）是由材料導(dǎo)熱系數(shù)，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，芯片焊料導(dǎo)熱性并不好，導(dǎo)熱系數(shù)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(dǎo)熱系數(shù)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(dá)28%。

我們在定義模塊殼到散熱器的熱阻（Rth）時，假設(shè)導(dǎo)熱硅脂的導(dǎo)熱系數(shù)是1W/(m·K)，厚度為30-100um，在芯片的散熱通路中，其占比高達(dá)37%，是最大的部分。所以用更好的導(dǎo)熱材料緩解散熱瓶頸，提高功率密度的重要舉措，這為什么英飛凌提供預(yù)涂導(dǎo)熱材料的模塊。

同樣我們也可以仿真分析一下，芯片厚度對熱阻的影響。

為了簡化問題，我們用采用擴(kuò)散焊的單管為例，其結(jié)構(gòu)簡單。由于采用擴(kuò)散焊，熱阻主要由芯片和銅框架構(gòu)成，仿真條件：假設(shè)硅芯片的面積5.1mm2 ，硅的芯片厚度分別為350um和110um，芯片損耗 170W。

可以直觀地看清硅導(dǎo)熱性不是特別好，相同條件下，350um的芯片要比110um芯片溫度高15度，原因是芯片的厚度造成的熱阻增大。

但器件的耐壓與漂移區(qū)的長度和電阻率有關(guān)，太薄的晶圓意味著更低的耐壓，太厚漂移區(qū)漂移區(qū)電阻也更大，熱阻也增加，英飛凌開發(fā)IGBT薄晶圓技術(shù)就是一種完美的設(shè)計。

功率開關(guān)器件的耐壓與其漂移區(qū)的長度和電阻率有關(guān)，而MOSFET是單極性功率開關(guān)器件，其通態(tài)電阻又直接決定于漂移區(qū)的長度和電阻率，與其制造材料臨界擊穿電場強度的立方成反比。因為4H-SiC有10倍于Si的臨界擊穿電場強度，因此基于SiC的功率器件允許使用更薄的漂移區(qū)來維持更高的阻斷電壓，從而顯著降低了正向壓降以及導(dǎo)通損耗，同時減小熱阻（Rth）。

做一個paper design例子，如果要獲得5000V的耐壓，使用摻雜為2.5*1013/cm3的襯底材料，Si基功率器件需要漂移層厚度0.5mm，單位面積電阻為10Ωcm2；SiC MOSFET使用摻雜為2.0*1015/cm3的漂移層，需要的厚度僅有0.05mm，單位面積電阻僅為0.02Ωcm2。

同時碳化硅的導(dǎo)熱系數(shù)是490W/(m·K)，所以碳化硅芯片可以實現(xiàn)很高的功率密度，就是說，芯片面積很小，也可以保證芯片的散熱。

SiC的禁帶寬度3.23ev，相應(yīng)的本征溫度可高達(dá)800攝氏度。如果能夠突破材料及封裝的溫度瓶頸，則功率器件的工作溫度將會提升到一個全新的高度。

四、功率半導(dǎo)體熱阻（Rth）的影響因素

不知道大家在做功率半導(dǎo)體封裝熱設(shè)計的過程中有沒有思考過一個問題，就是封裝熱阻到底由什么決定？其影響因素有哪些？舉個直觀的例子，就是同樣一個模塊，我里面放一顆芯片，和放多顆芯片，測出來的封裝熱阻會是一樣的嗎？下面，來說一下我對這個問題的認(rèn)識。

下面這幅圖給的是功率模塊典型結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線圖。相信做封裝的都很熟悉，橫坐標(biāo)對應(yīng)熱阻，縱坐標(biāo)對應(yīng)熱容，曲線對應(yīng)的是由芯片至外部環(huán)境的熱阻抗分布情況，根據(jù)曲線斜率變化情況可以將其與對應(yīng)散熱路徑材料進(jìn)行匹配。

因為結(jié)構(gòu)曲線是有明確物理意義的，每層材料對應(yīng)一個熱阻抗，因此，最直觀的認(rèn)知就是每一種封裝對應(yīng)的結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線是唯一的。

但是，在實際封裝設(shè)計過程中，我發(fā)現(xiàn)了一個與之“相矛盾”的點，就是上面提到的，同樣一個模塊，我里面放一顆芯片，和放多顆芯片，測出來的封裝熱阻會是一樣的嗎？

因為按照封裝熱阻定義公式：封裝結(jié)-殼/流熱阻等于=芯片結(jié)溫減去殼體/流體溫度再除以總的發(fā)熱功耗。

這樣就會出現(xiàn)一個問題，同樣一個封裝內(nèi)部，我里面放一顆芯片和放兩顆芯片，測出來的芯片溫升可能是一樣的，但是模塊的功耗卻增加了一倍，這樣得到的封裝熱阻也會差一倍。這兩種情況下我得到了兩個封裝熱阻，那怎么和熱阻抗曲線對應(yīng)起來呢？哪個是對的呢？明明是同樣一種封裝結(jié)構(gòu)，不就和上面的每一種封裝對應(yīng)的結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線是唯一的相違背了嗎。

下面上結(jié)論：模塊熱阻不僅與封裝結(jié)構(gòu)、材料有關(guān)，也與內(nèi)部芯片數(shù)量有關(guān)。同一種封裝結(jié)構(gòu)，里面放一顆芯片或者多顆芯片，測出來的結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線也是不一樣的，即熱阻抗也是有區(qū)別的。

原因是什么呢，我一句話概述一下：不同芯片數(shù)量，實際利用的散熱路徑面積也是不一樣的。看看大家能不能get到這個點。

針對結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線，每一段熱阻抗曲線對應(yīng)散熱路徑每一層材料熱阻，改成更為對應(yīng)散熱路徑每一層材料實際使用的散熱面積熱阻，這樣每一層的熱阻抗就會有區(qū)別，就不難理解為什么對應(yīng)同一種封裝結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線也會不一樣。因此，即使同一種封裝結(jié)構(gòu)，當(dāng)芯片數(shù)量不一樣（也包括芯片間距）或者芯片大小不一樣，測出來的熱阻抗曲線可能也會有區(qū)別。是唯一又不是唯一，唯一的是每個模塊對應(yīng)的結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線是唯一的，不唯一的是同一種封裝結(jié)構(gòu)對應(yīng)的結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線不一定是一樣的。

簡單來講：影響功率半導(dǎo)體熱阻（Rth）的核心因素就是：器件本身特性、封裝工藝與材料和系統(tǒng)散熱設(shè)計三個方面。

五、功率半導(dǎo)體熱阻（Rth）的重要性

1、影響器件可靠性

功率半導(dǎo)體工作時，電氣損耗（導(dǎo)通損耗與開關(guān)損耗）轉(zhuǎn)化為熱量集中在器件結(jié)區(qū)，若熱量不能及時散發(fā)，結(jié)溫會超限，嚴(yán)重影響器件可靠性。熱阻（Rth）越小，相同熱源功率下器件溫升越小，散熱能力越強。

2、指導(dǎo)熱設(shè)計

熱阻（Rth）是實現(xiàn)電氣損耗與熱管理分析互通的基礎(chǔ)指標(biāo)，是功率半導(dǎo)體器件規(guī)格書中常標(biāo)注的參數(shù)之一。準(zhǔn)確掌握熱阻（Rth）指標(biāo)，能為器件選型、散熱方案設(shè)計及其安全裕量評估提供關(guān)鍵依據(jù)。工程師可根據(jù)熱阻（Rth）數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)溫預(yù)測、熱設(shè)計驗證與壽命分析，及早識別潛在熱瓶頸，提升系統(tǒng)設(shè)計的可靠性與穩(wěn)定性。

六、功率半導(dǎo)體熱阻（Rth）的測試方法

1、穩(wěn)態(tài)法

最基礎(chǔ)的測試方法，通過在器件上施加恒定功率，直到溫度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，測量結(jié)溫和參考點溫度（如外殼或環(huán)境溫度），再按公式Rth=(Tj-Tref)/P計算熱阻。測試要求溫度達(dá)到熱平衡，熱流路徑穩(wěn)定，但測試時間長。參考標(biāo)準(zhǔn)有《JESD51 - 2》、《MIL - STD - 883 Method 1012.1》。

2、瞬態(tài)法

通過測量器件在施加功率變化時的溫度響應(yīng)來計算熱阻。該方法基于熱阻與熱容逐級累加生成累積結(jié)構(gòu)函數(shù)，對累積結(jié)構(gòu)函數(shù)進(jìn)行微分得到微分結(jié)構(gòu)函數(shù)，其峰值反映材料的邊界。

七、總結(jié)一下

功率半導(dǎo)體熱阻（Rth）作為表征器件熱傳遞阻礙程度的核心熱性能參數(shù)，其本質(zhì)是熱量從芯片結(jié)區(qū)（發(fā)熱核心）向散熱終點傳導(dǎo)過程中，單位功率損耗所引發(fā)的溫度差量化體現(xiàn)，是器件散熱能力的核心量化標(biāo)尺。

從器件本質(zhì)影響來看，它直接決定了結(jié)溫控制邊界 —— 熱阻（Rth）大小與結(jié)溫升高幅度正相關(guān)，進(jìn)而從根本上左右器件工作穩(wěn)定性（避免熱失控導(dǎo)致的性能漂移）、使用壽命（結(jié)溫每升高 10℃壽命通常減半）及極限功耗承載能力（低熱阻器件可在更高功率密度下安全運行），是功率半導(dǎo)體核心性能的底層約束因素。

從全流程應(yīng)用價值來看，它貫穿功率半導(dǎo)體研發(fā)（材料選型、結(jié)構(gòu)設(shè)計的核心依據(jù)）、封裝工藝（互聯(lián)方式、基板材料、封裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化的關(guān)鍵導(dǎo)向）、系統(tǒng)應(yīng)用（器件選型匹配場景需求、散熱方案設(shè)計針對性突破瓶頸、可靠性評估量化落地）全鏈條，既是連接器件本身與系統(tǒng)散熱的關(guān)鍵橋梁，也是保障功率電子系統(tǒng)高效、穩(wěn)定、長壽命運行的核心指標(biāo)與決策依據(jù)。

參考資料

[1] JESD51-1:1995, Integrated Circuit ThermalMeasurement Method- Electrical Test Method

[2] JESD51-14:2010, Transient Dual InterfaceTest Methodfor the Measurement of the Thermal Resistance Junctionto Case ofSemiconductor Devices with Heat FlowThrough a Single Path

[3] MIL-STD-883E,METHOD 1012.1, ThermalCharacteristics, 4 November 1980

審核編輯 黃宇