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)散熱評估環(huán)節(jié)必不可少的參數(shù)。如從性價比角度考量，不同的散熱平臺對IGBT的熱阻要求也會不同。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)等幾個方面分別進行介紹。

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大概的認識。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。因為導(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)可以看作是一個常數(shù)。

介質(zhì)除了有傳熱的特性還有儲存熱量的特性，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，較薄的銅層會取得較小的熱阻，但在真實的三維模型中，我們會看到熱擴散能力較弱，熱阻Rth反而會加大。有較厚金屬層的DCB基板對熱擴散有好處，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、最熱的一點作為參考，該點一般是緊貼模塊邊緣的某點。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。這二種定義方法各有優(yōu)缺點，方法一的?T和Rth(c-s)1會較大，其優(yōu)點是易于測量和檢測，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比較高，但是實際應(yīng)用中不易檢測。在計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

實際應(yīng)用中模塊內(nèi)部可能是由多芯片并聯(lián)組成，每個芯片對應(yīng)點的溫度都會有差異，因此我們一般會采用多點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

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

通過上面的測量和定義方式我們便可以根據(jù)損耗計算出模塊的實際熱阻值，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IGBT和二極管的溫度，因此沒有熱耦合效應(yīng)。但實際的應(yīng)用往往是多個IGBT和二極管芯片同時工作，每個芯片之間都會從各個方向互相加熱形成熱耦合。由實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）。

下面我們用一個實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工作的溫差要比單個上管工作的溫度最大高出10度。以殼到散熱器為例，單個上管工作的溫差為18度，如上下管同時導(dǎo)通溫差達到近28度，熱阻值高出原有值35%之多。

如果我們只對單個IGBT或二極管的Rth(c-s)定義，往往在計算Rth(c-s)M時熱耦合效應(yīng)會被忽略，假如我們用Rth(c-s)I表示單個IGBT的熱阻，Rth(c-s)D表示單個二極管的熱阻值, 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）的厚度時我們才可以使用理論的公式計算，但實際這樣的條件很難達到。

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)值也會有所差異，這里就不再詳述了，一般模塊的規(guī)格書中都會注明導(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。實際應(yīng)用中我們還要考慮熱阻的動態(tài)效應(yīng)。利用熱阻Rth和熱容Cth可以構(gòu)建一個類似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)，也需要一段時間才能把整個散熱器加熱，散熱器的熱容量越大，需要加熱的時間就越長。而散熱器可以存儲的能量是有限的，一旦存儲量達到最大值，散熱器就達到了一個相對最大溫度，如果撤銷熱源，散熱器存儲的能量就會釋放，這和電容充電是完全一樣的道理，電容充滿后，電荷量就達到最大值。

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

圖9 熱阻抗動態(tài)等效電路  

圖10 熱阻抗Zth(j-c)的動態(tài)響應(yīng)曲線

對于一個給定封裝的模塊，IGBT熱阻抗Zth曲線可以隨著不同的芯片面積上下變動，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的，因此可以用如下公式來計算不同芯片表面積的熱阻抗。

 

當(dāng)熱量還在芯片和DCB基板中擴散時，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)時間超過大約100毫秒后，兩者的差異隨著時間的推移而增大。在1到2秒的時間范圍內(nèi)，因為銅板的熱容量，它占有優(yōu)勢。但經(jīng)過較長時間后，無底板模塊因為較小的熱阻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、機柜和風(fēng)道的設(shè)計等也是系統(tǒng)設(shè)計必須要考慮的重要因素。

參考文獻：