【導讀】任何導熱材料都有熱阻，而且熱阻與材料面積成反比，與厚度成正比。按道理說，銅基板也會有額外的熱阻，那為什么實際情況是有銅基板的模塊散熱更好呢？這是因為熱的橫向擴散帶來的好處。
前言
功率半導體熱設計是實現(xiàn)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(tǒng)成本，并保證系統(tǒng)的可靠性。
功率器件熱設計基礎系列文章會比較系統(tǒng)地講解熱設計基礎知識，相關標準和工程測量方法。
任何導熱材料都有熱阻，而且熱阻與材料面積成反比，與厚度成正比。按道理說，銅基板也會有額外的熱阻，那為什么實際情況是有銅基板的模塊散熱更好呢？這是因為熱的橫向擴散帶來的好處。
熱橫向擴散
除了熱阻熱容，另一個影響半導體散熱的重要物理效應為熱的橫向傳導。這個術(shù)語指熱能在熱導體內(nèi)立體交叉?zhèn)鬏?，即熱量不僅能垂直傳導也可以橫向傳導。根據(jù)公式1，可由表面積A和厚度d計算Rth。
如果熱源的熱流Pth,C從一個有限面向另一個面積更大的熱導體傳導，熱量的出口面積Aout比進口表面積Ain大，因此熱流密度不斷減小，但總熱量不變，如圖一和圖二所示。
出口表面積Aout比進口表面積Ain大多少取決于兩個因素:
1.平板的厚度d
2.熱擴散角α
在熱的橫向傳導時，定為一個方形熱源，熱導體的熱阻可以近似計算為：
式中，a2in為入口表面Ain的邊長(m)。
熱擴散角α表示熱導體的一種特性，如果有幾層不同的材質(zhì)，每層的Rth必須單獨確定，然后綜合所有熱阻值得出總熱阻。圖三給出了采用兩層不同材質(zhì)散熱時熱的橫向傳導。
由于熱的橫向傳導，根據(jù)方形進口表面積：
第一層材料的熱阻為：
而對于第二層材料，第一層的橫向傳導導致第二層入口表面積增大為：
這樣第二層材料的熱阻為：
而它有效的出口面積：
因此，綜合兩層的情況得到總的熱阻為：
分析
基于這知識點，我們可以做什么分析呢？
采用相同芯片的銅基板模塊FS50R12KT4_B15比DCB模塊FS50R12W2T4散熱性能好，以50A 1200V IGBT4技術(shù)的模塊為例，結(jié)對散熱器的熱阻差48%。
由于DCB模塊FS50R12W2T4沒有銅基板，結(jié)對殼的熱阻RthJC=0.45k/W，比有銅基板模塊FS50R12KT4_B15熱阻結(jié)對殼的熱阻要低一些，因為銅基板引入的熱阻；但DCB模塊殼對散熱器的熱阻要高很多，因為熱擴散效應。
單管IKW40N120T2與模塊比，更小的芯片尺寸，40A單管的結(jié)對殼的熱阻RthJC=0.31k/W，遠低于模塊，這是因為芯片直接焊接在銅框架上，由于熱擴散效應，散熱更好。
4個芯片比單個芯片散熱要好。
要驗證我們的猜想4個芯片通過并聯(lián)實現(xiàn)大電流要比單個大電流芯片散熱要好，可以研究圖二中的Aout的值。
我們做一個paper design，把4個50A 1200V芯片IGC50T120T6RQ，取代單個200A 1200V芯片，為了簡化問題，我們假設芯片是直接燒結(jié)在3mm厚的銅板上，并假設熱擴散角是45度。
通過下表的計算發(fā)現(xiàn)，4個50A芯片的Aout=100.9*4=403.6mm2，比單個200A芯片280mm2要大44%，散熱更好。
總結(jié)
本文第一章摘自參考資料《IGBT模塊：技術(shù)、驅(qū)動和應用》，通過分析各種封裝產(chǎn)品的數(shù)值給讀者量化的概念，供參考。
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