熱阻和熱阻抗的重要性

隨著功率器件封裝逐漸面向大電流、小型化，產(chǎn)品的散熱性能顯得尤為重要。熱設(shè)計(jì)在IGBT選型和應(yīng)用過程中至關(guān)重要，關(guān)系到模塊應(yīng)用的可靠性、損耗以及壽命等問題，而模塊的熱阻和熱阻抗是系統(tǒng)散熱評(píng)估環(huán)節(jié)必不可少的參數(shù)。如從性價(jià)比角度考量，不同的散熱平臺(tái)對IGBT的熱阻要求也會(huì)不同。我們不可能為了追求散熱效果的極致去使用很貴的材料，也不可能為了獲得便宜的價(jià)格而選用散熱性能非常差的材料，一般合理的方式是根據(jù)自身的需求選擇最適合自己的方案。下面我們就結(jié)合熱阻的定義，模塊的結(jié)構(gòu)等幾個(gè)方面分別進(jìn)行介紹。

要了解模塊的散熱特性，首先我們要對模塊的結(jié)構(gòu)以及材料特性要有個(gè)大概的認(rèn)識(shí)。目前市場上的主流模塊主要分為有銅底板模塊和無銅底板模塊，其結(jié)構(gòu)和散熱路徑見圖1。

圖1 有銅底板和無銅底板模塊結(jié)構(gòu)

任何材料都有其特定的導(dǎo)熱性，舉個(gè)簡單的例子，木質(zhì)和塑料等絕緣體的導(dǎo)熱性較差而銅和鋁等金屬材料的導(dǎo)熱特性較好，那么我們怎么去量化這個(gè)特性呢？這里我們要引入導(dǎo)熱系數(shù)或稱之為導(dǎo)熱率的概念。介質(zhì)傳輸熱能的能力定義為導(dǎo)熱系數(shù)λ。因?yàn)閷?dǎo)熱系數(shù)是介質(zhì)特定的特性，所以某種材料的導(dǎo)熱系數(shù)在一定溫度范圍內(nèi)可以看作是一個(gè)常數(shù)。

介質(zhì)除了有傳熱的特性還有儲(chǔ)存熱量的特性，我們稱為熱容，熱容就像電容一樣，用物理術(shù)語描述成儲(chǔ)存能量的能力，我們可以把電容和熱容做類比。電容Ce 表示電荷Q和電壓U之間的關(guān)系，而熱容Cth表示熱量Qth和T之間的關(guān)系，如圖2所示。換句話說熱容可以描述為熱量變化與溫差的比值。

圖2 熱容和電容的等效比較

熱容Cth與比熱容C存在著特定的關(guān)系。根據(jù)比熱容c的物理定義，它指單位質(zhì)量的某種物質(zhì)升高或下降單位溫度所吸收或放出的熱量。其國際單位制中的單位是焦耳每千克開爾文[J/( kg·K )]，即令1公斤的物質(zhì)的溫度上升1開爾文所需的能量。如知道該物質(zhì)的密度還可把單位轉(zhuǎn)換為J/(m³*K)。如果我們用c來表示比熱容可以用以下公式表述, 其中m為重量。

c= ?Qth/(m*?T)，那么經(jīng)簡單變換，熱容Cth可表達(dá)為 Cth=c*m=c*V*ρ，其中V為體積，ρ為相對密度，其單位為[J/K]。

表1是和模塊相關(guān)的一些材料的熱特性參數(shù)。對于傳統(tǒng)的模塊，一般芯片的材料為硅，陶瓷基板（DBC）的材料為Al2O3或ALN，底板的材料為銅，散熱器的材料為鋁。

表1 和模塊相關(guān)材料的熱特性參數(shù)

圖3顯示了一個(gè)無底板模塊在沒有其他熱干擾的情況下，不同散熱分層的溫度傳導(dǎo)分布，這里我們可以看到每層的熱傳導(dǎo)和熱流過的面積。在一維模型中，較薄的銅層會(huì)取得較小的熱阻，但在真實(shí)的三維模型中，我們會(huì)看到熱擴(kuò)散能力較弱，熱阻Rth反而會(huì)加大。有較厚金屬層的DCB基板對熱擴(kuò)散有好處，但它增加了基板本身的熱應(yīng)力。

要知道熱傳導(dǎo)性并不僅僅取決于某一層材料的特性，而且同相鄰層材料特性也有密切關(guān)系。為了使熱量通過導(dǎo)熱性不好的層，必須建立一個(gè)相應(yīng)高的勢能差(溫差)。這就要求它上面必須是導(dǎo)熱能力好的層，以增加交叉?zhèn)鲗?dǎo)。

圖3 無底板模塊每層的散熱和典型的曲線

由以上分析可知材料的導(dǎo)熱特性直接決定了其散熱能力，如果已知介質(zhì)橫截面積A和厚度d，就可以得到熱阻Rth，其單位是K/W。

一般我們用Tj來表示IGBT芯片的結(jié)溫，Tc表示模塊的銅底板殼溫，Ts (TH)表示散熱器的溫度，Rth(j-c)表示結(jié)到殼的熱阻，Rth(c-s)表示殼到的散熱器的熱阻。殼溫Tc是以芯片正下方的銅底板底面位置點(diǎn)作為參考，而對于無銅底板的模塊我們一般不定義殼溫，原因是很難可靠測量該點(diǎn)的溫度。散熱器溫度的定義方式有二種，見圖5，方法一是以散熱器表面離芯片最近、最熱的一點(diǎn)作為參考，該點(diǎn)一般是緊貼模塊邊緣的某點(diǎn)。方法二是以芯片正下方、離散熱器表面2mm下方的位置為參考點(diǎn)。這二種定義方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，方法一的?T和Rth(c-s)1會(huì)較大，其優(yōu)點(diǎn)是易于測量和檢測，但是他的精度對散熱器的依賴較大，易受外部散熱條件的影響，而方法二的測量和檢測精度會(huì)比較高，但是實(shí)際應(yīng)用中不易檢測。在計(jì)算損耗的過程中一定要搞清楚其具體的定義方式，以防出現(xiàn)較大的誤差。

圖5 IGBT模塊的溫度和熱阻定義點(diǎn)

實(shí)際應(yīng)用中模塊內(nèi)部可能是由多芯片并聯(lián)組成，每個(gè)芯片對應(yīng)點(diǎn)的溫度都會(huì)有差異，因此我們一般會(huì)采用多點(diǎn)測量取平均值的方式定義Tc和Ts（方法2），如圖6所示。

圖6 IGBT多芯片并聯(lián)的溫度測量點(diǎn)

下表是根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)對多芯片并聯(lián)溫度測量點(diǎn)的總結(jié)：

通過上面的測量和定義方式我們便可以根據(jù)損耗計(jì)算出模塊的實(shí)際熱阻值，Rth(j-c) (結(jié)到殼的熱阻)、Rth(c-s) (殼到散熱器的熱阻) 和Rth(j-s) (結(jié)到散熱器的熱阻)。表2根據(jù)IEC60747-15 [4]*的標(biāo)準(zhǔn)對各熱阻做了非常清晰的定義：

熱耦合影響的程度取決于發(fā)熱芯片之間的距離、層的厚度以及每層的熱傳導(dǎo)率。通常如果芯片之間的距離小于3mm，熱耦合的效應(yīng)一般就不能被忽略。對于模塊來講主要熱耦合產(chǎn)生在芯片下方導(dǎo)熱率比較高的各層，特別是對于較厚的銅底板，它的熱耦合效應(yīng)要大于其他各層。

圖7的測量1和測量2分別只測量單個(gè)IGBT和二極管的溫度，因此沒有熱耦合效應(yīng)。但實(shí)際的應(yīng)用往往是多個(gè)IGBT和二極管芯片同時(shí)工作，每個(gè)芯片之間都會(huì)從各個(gè)方向互相加熱形成熱耦合。由實(shí)際測試可知熱耦合后的溫度要高于沒有熱耦合的溫度（見圖7右圖）。

下面我們用一個(gè)實(shí)際測試的案例來量化熱耦合的影響程度，圖8是基于單橋臂IGBT模塊的測試結(jié)果，紅色方框所示為上管，紫色框內(nèi)所示為下管。我們可以看出上下管同時(shí)工作的溫差要比單個(gè)上管工作的溫度最大高出10度。以殼到散熱器為例，單個(gè)上管工作的溫差為18度，如上下管同時(shí)導(dǎo)通溫差達(dá)到近28度，熱阻值高出原有值35%之多。

如果我們只對單個(gè)IGBT或二極管的Rth(c-s)定義，往往在計(jì)算Rth(c-s)M時(shí)熱耦合效應(yīng)會(huì)被忽略，假如我們用Rth(c-s)I表示單個(gè)IGBT的熱阻，Rth(c-s)D表示單個(gè)二極管的熱阻值, n表示模塊中開關(guān)管的數(shù)量，在理想情況下我們可以用以下公式計(jì)算出理論Rth(c-s)M值。、

一般只有當(dāng)開關(guān)管和開關(guān)管之間的距離大于3~4倍“芯片到散熱器”（一般15到20mm）的厚度時(shí)我們才可以使用理論的公式計(jì)算，但實(shí)際這樣的條件很難達(dá)到。

由于熱耦合效應(yīng)和芯片的間距、銅底板厚度有密切相關(guān)性，所以我們可以用以下經(jīng)驗(yàn)公式來推到熱耦合后導(dǎo)的Rth(c-s)M值。

如果使用的導(dǎo)熱硅脂參數(shù)和厚度不一樣，最終Rth(c-s)M的數(shù)值也會(huì)有所差異，這里就不再詳述了，一般模塊的規(guī)格書中都會(huì)注明導(dǎo)熱硅脂的相關(guān)參數(shù)。

上面我們討論了熱阻Rth的相關(guān)定義和測量，都是基于穩(wěn)態(tài)的特性。實(shí)際應(yīng)用中我們還要考慮熱阻的動(dòng)態(tài)效應(yīng)。利用熱阻Rth和熱容Cth可以構(gòu)建一個(gè)類似RC低通電路的熱模型，可以用瞬態(tài)熱阻或熱阻抗Zth來表示這種模型。我們以散熱器為例從物理角度進(jìn)行簡單的說明。散熱器一般都是鋁制品，具有良好的導(dǎo)熱性和散熱性，因此熱阻非常低。然而即使有穩(wěn)定的熱源，由于熱容效應(yīng)，也需要一段時(shí)間才能把整個(gè)散熱器加熱，散熱器的熱容量越大，需要加熱的時(shí)間就越長。而散熱器可以存儲(chǔ)的能量是有限的，一旦存儲(chǔ)量達(dá)到最大值，散熱器就達(dá)到了一個(gè)相對最大溫度，如果撤銷熱源，散熱器存儲(chǔ)的能量就會(huì)釋放，這和電容充電是完全一樣的道理，電容充滿后，電荷量就達(dá)到最大值。

我們通過等效電路（圖9）來反應(yīng)動(dòng)態(tài)傳熱特性的熱阻抗。在數(shù)據(jù)文件中一般會(huì)給出熱阻抗Zth關(guān)于參數(shù)Ri和τi（（時(shí)間常數(shù)）的幾組數(shù)據(jù)，用來計(jì)算Zth關(guān)于時(shí)間的函數(shù)關(guān)系。τi = Rthi*Cthi，有些數(shù)據(jù)書會(huì)直接給出算好的曲線圖，如圖10所示。

圖9 熱阻抗動(dòng)態(tài)等效電路  

圖10 熱阻抗Zth(j-c)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線

對于一個(gè)給定封裝的模塊，IGBT熱阻抗Zth曲線可以隨著不同的芯片面積上下變動(dòng)，即芯片面積可以改變阻抗的絕對值。熱阻和熱阻抗是成等比例變動(dòng)的，因此可以用如下公式來計(jì)算不同芯片表面積的熱阻抗。

 

當(dāng)熱量還在芯片和DCB基板中擴(kuò)散時(shí)，帶有和沒有銅底板模塊的熱阻抗最初很接近，如圖11所示。當(dāng)時(shí)間超過大約100毫秒后，兩者的差異隨著時(shí)間的推移而增大。在1到2秒的時(shí)間范圍內(nèi)，因?yàn)殂~板的熱容量，它占有優(yōu)勢。但經(jīng)過較長時(shí)間后，無底板模塊因?yàn)檩^小的熱阻Rth而占有優(yōu)勢。

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圖11 有無銅底板的熱阻動(dòng)態(tài)響應(yīng)比較

為了盡可能提高芯片的載流能力，我們不斷革新芯片和封裝技術(shù)。芯片的革新是為了提升性能、功率密度和減少損耗，如最新的SiC，GaN技術(shù)大大降低了芯片的損耗，但由于功率密度的提高、芯片面積的減小，其自身的散熱能力會(huì)變差，這就要求封裝技術(shù)也要不斷的創(chuàng)新以匹配更高性能芯片的需求。除了考慮模塊本身熱阻的因素，其他如合理的選用和涂抹導(dǎo)熱硅脂、優(yōu)化散熱器、機(jī)柜和風(fēng)道的設(shè)計(jì)等也是系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須要考慮的重要因素。

參考文獻(xiàn)：