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功率半導體熱設計是實現IGBT、碳化硅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，并保證系統的可靠性。

一、功率半導體熱阻的概述

1、熱阻定義

功率半導的熱阻，英文全稱：Thermal Resistance，簡稱：Rth。它是衡量功率半導體器件（如 IGBT、MOSFET、二極管等）散熱能力的核心熱性能參數，定義為：器件在穩定熱傳導狀態下，單位熱流量（功率損耗）所引起的兩端溫度差，本質反映熱量從器件發熱核心（如芯片結區）傳遞到散熱終點（如外殼、散熱器或環境）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，兩者數值等價，因溫度差單位一致）；

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

P：為熱流量，熱阻與導熱系數成反比，與材料厚度成正比；

另外，要想更好地理解熱阻（Rth），還可通過類比電學中的歐姆定律能更好地理解熱阻。在電學中，電壓差驅動電流，電阻阻礙電流；在熱學中，溫差驅動熱流，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、功率半導體的散熱

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，取決于產生熱量多少（損耗）和散熱效率（散熱通路的熱阻）。

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

3、功率半導體的熱傳導

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。

所以，熱阻（Rth）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：Rel. = U/I

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

二、功率半導體熱阻（Rth）的分類

1、結殼熱阻（Rth(j-c)）

指芯片的結（熱源）到外殼之間的熱阻，是功率半導體器件規格書中常標注的參數之一，反映了熱量從芯片結區傳導到外殼的難易程度。

2、結環熱阻（Rth(j-a)）

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

3、其他熱阻（Rth）

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

三、功率半導體熱阻（Rth）的導熱系數

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：

Rth = d/λA

金屬鋁和銅有很好的導熱性，常用于制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。

有了熱阻和導熱系數的概念，就可以與產品聯系起來了：

熱阻（Rth）是由材料導熱系數，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，芯片焊料導熱性并不好，導熱系數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中的陶瓷導熱系數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（Rth）時，假設導熱硅脂的導熱系數是1W/(m·K)，厚度為30-100um，在芯片的散熱通路中，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，這為什么英飛凌提供預涂導熱材料的模塊。

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，我們用采用擴散焊的單管為例，其結構簡單。由于采用擴散焊，熱阻主要由芯片和銅框架構成，仿真條件：假設硅芯片的面積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的長度和電阻率有關，太薄的晶圓意味著更低的耐壓，太厚漂移區漂移區電阻也更大，熱阻也增加，英飛凌開發IGBT薄晶圓技術就是一種完美的設計。

功率開關器件的耐壓與其漂移區的長度和電阻率有關，而MOSFET是單極性功率開關器件，其通態電阻又直接決定于漂移區的長度和電阻率，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來維持更高的阻斷電壓，從而顯著降低了正向壓降以及導通損耗，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。

同時碳化硅的導熱系數是490W/(m·K)，所以碳化硅芯片可以實現很高的功率密度，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，相應的本征溫度可高達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、功率半導體熱阻（Rth）的影響因素

不知道大家在做功率半導體封裝熱設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識。

下面這幅圖給的是功率模塊典型結構函數曲線圖。相信做封裝的都很熟悉，橫坐標對應熱阻，縱坐標對應熱容，曲線對應的是由芯片至外部環境的熱阻抗分布情況，根據曲線斜率變化情況可以將其與對應散熱路徑材料進行匹配。

因為結構曲線是有明確物理意義的，每層材料對應一個熱阻抗，因此，最直觀的認知就是每一種封裝對應的結構函數曲線是唯一的。

但是，在實際封裝設計過程中，我發現了一個與之“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-殼/流熱阻等于=芯片結溫減去殼體/流體溫度再除以總的發熱功耗。

這樣就會出現一個問題，同樣一個封裝內部，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起來呢？哪個是對的呢？明明是同樣一種封裝結構，不就和上面的每一種封裝對應的結構函數曲線是唯一的相違背了嗎。

下面上結論：模塊熱阻不僅與封裝結構、材料有關，也與內部芯片數量有關。同一種封裝結構，里面放一顆芯片或者多顆芯片，測出來的結構函數曲線也是不一樣的，即熱阻抗也是有區別的。

原因是什么呢，我一句話概述一下：不同芯片數量，實際利用的散熱路徑面積也是不一樣的?？纯创蠹夷懿荒躦et到這個點。

針對結構函數曲線，每一段熱阻抗曲線對應散熱路徑每一層材料熱阻，改成更為對應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別，就不難理解為什么對應同一種封裝結構，其結構函數曲線也會不一樣。因此，即使同一種封裝結構，當芯片數量不一樣（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別。是唯一又不是唯一，唯一的是每個模塊對應的結構函數曲線是唯一的，不唯一的是同一種封裝結構對應的結構函數曲線不一定是一樣的。

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

五、功率半導體熱阻（Rth）的重要性

1、影響器件可靠性

功率半導體工作時，電氣損耗（導通損耗與開關損耗）轉化為熱量集中在器件結區，若熱量不能及時散發，結溫會超限，嚴重影響器件可靠性。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、指導熱設計

熱阻（Rth）是實現電氣損耗與熱管理分析互通的基礎指標，是功率半導體器件規格書中常標注的參數之一。準確掌握熱阻（Rth）指標，能為器件選型、散熱方案設計及其安全裕量評估提供關鍵依據。工程師可根據熱阻（Rth）數據進行結溫預測、熱設計驗證與壽命分析，及早識別潛在熱瓶頸，提升系統設計的可靠性與穩定性。

六、功率半導體熱阻（Rth）的測試方法

1、穩態法

最基礎的測試方法，通過在器件上施加恒定功率，直到溫度達到穩定狀態后，測量結溫和參考點溫度（如外殼或環境溫度），再按公式Rth=(Tj-Tref)/P計算熱阻。測試要求溫度達到熱平衡，熱流路徑穩定，但測試時間長。參考標準有《JESD51 - 2》、《MIL - STD - 883 Method 1012.1》。

2、瞬態法

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

七、總結一下

功率半導體熱阻（Rth）作為表征器件熱傳遞阻礙程度的核心熱性能參數，其本質是熱量從芯片結區（發熱核心）向散熱終點傳導過程中，單位功率損耗所引發的溫度差量化體現，是器件散熱能力的核心量化標尺。

從器件本質影響來看，它直接決定了結溫控制邊界 —— 熱阻（Rth）大小與結溫升高幅度正相關，進而從根本上左右器件工作穩定性（避免熱失控導致的性能漂移）、使用壽命（結溫每升高 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），是功率半導體核心性能的底層約束因素。

從全流程應用價值來看，它貫穿功率半導體研發（材料選型、結構設計的核心依據）、封裝工藝（互聯方式、基板材料、封裝結構優化的關鍵導向）、系統應用（器件選型匹配場景需求、散熱方案設計針對性突破瓶頸、可靠性評估量化落地）全鏈條，既是連接器件本身與系統散熱的關鍵橋梁，也是保障功率電子系統高效、穩定、長壽命運行的核心指標與決策依據。

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