功率器件熱設計是實現IGBT、碳化硅SiC等高功率密度器件可靠運行的基礎。掌握功率半導體的熱設計基礎知識，不僅有助于提高功率器件的利用率和系統可靠性，還能有效降低系統成本。本文將從熱設計的基本概念、散熱形式、熱阻與導熱系數、功率模塊的結構和熱阻分析等方面，對功率器件熱設計基礎知識進行詳細講解。

一、熱設計的基本概念

功率半導體器件在開通和關斷過程中以及導通電流時會產生損耗，這些損耗的能量會轉化為熱能，表現為半導體器件發熱。器件的發熱會導致器件各點溫度升高，從而影響器件的性能和可靠性。因此，熱設計的主要目標是通過合理的散熱設計，確保器件在工作過程中溫度保持在安全范圍內。

二、散熱形式

IGBT模塊的風冷散熱是典型的散熱系統，它包含了三種散熱形式：熱傳導、熱輻射和熱對流。

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。在熱傳導過程中，熱量從高溫物體傳遞到低溫物體。熱傳導的特性可以類比為電氣工程中的歐姆定律，熱能工程中的熱源就像電氣工程中的電源，受熱體就像負載，熱阻和熱容則類似于電阻和電容。

熱輻射：熱輻射是物體通過電磁波傳遞熱量的過程。所有溫度高于絕對零度的物體都會發射熱輻射。熱輻射的強度與物體的溫度、表面性質和發射率有關。

熱對流：熱對流是流體（氣體或液體）由于溫度差引起的流動而傳遞熱量的過程。自然對流是由于溫度差引起的流體密度變化而產生的流動，強制對流則是通過外部動力（如風扇）驅動流體流動。

三、熱阻與導熱系數

熱阻和導熱系數是熱設計中的兩個關鍵參數。

熱阻：熱阻描述了物質對熱傳導的阻力，是傳熱過程中溫度差與熱流量的比值。熱阻的單位是K/W，它表示每瓦功率產生的熱量在物體中引起的溫度差。熱阻的大小取決于材料的導熱系數、厚度和橫截面積。導熱系數越高、厚度越小、橫截面積越大，熱阻越小。

導熱系數：導熱系數（又稱熱導率）是材料以熱的形式傳輸熱能的能力，單位是W/(m·K)。導熱系數是材料的固有屬性，與材料的種類、結構和溫度有關。不同材料的導熱系數差異很大，例如，硅的導熱系數是100W/(m·K)，而碳化硅的導熱系數高達490W/(m·K)，優于金屬銅25%，甚至比金屬銀還好。

四、功率模塊的結構和熱阻分析

功率模塊的熱阻分布對其散熱性能至關重要。以下以一個實際帶銅基板的IGBT功率模塊為例，分析其熱阻分布。

芯片焊料層：芯片焊料層的導熱性并不好，導熱系數約為30W/(m·K)，但厚度很薄，通常只有0.1mm左右。因此，在功率模塊中，芯片焊料層的熱阻占比相對較小，通常只占4%左右。

導熱硅脂層：導熱硅脂層用于填充模塊殼與散熱器之間的間隙，以提高熱傳導效率。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，導熱硅脂層的熱阻占比高達37%，是散熱通路中熱阻最大的部分。因此，使用更好的導熱材料來替代導熱硅脂，是緩解散熱瓶頸、提高功率密度的重要舉措。

芯片厚度：芯片厚度對熱阻也有顯著影響。以采用擴散焊的單管為例，假設硅芯片的面積為5.1mm2，芯片損耗為170W，分別計算芯片厚度為350um和110um時的溫度。由于硅的導熱性不是特別好，相同條件下，350um的芯片要比110um的芯片溫度高15度。這是因為芯片厚度增加導致熱阻增大。然而，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，而太厚的漂移區電阻也更大，熱阻也增加。因此，在設計中需要權衡耐壓和熱阻的關系。

五、碳化硅（SiC）芯片的熱優勢

碳化硅（SiC）材料因其優異的物理和化學性質，在功率半導體領域具有顯著優勢。以下從耐壓、導熱系數和禁帶寬度等方面分析SiC芯片的熱優勢。

耐壓：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。例如，要獲得5000V的耐壓，使用摻雜為2.510^13/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；而SiC MOSFET使用摻雜為2.010^15/cm3的漂移層，需要的厚度僅有0.05mm，單位面積電阻僅為0.02Ωcm2。

導熱系數：SiC的導熱系數高達490W/(m·K)，遠高于Si的100W/(m·K)。因此，SiC芯片在實現高功率密度方面具有顯著優勢。即使芯片面積很小，也可以保證良好的散熱性能。

禁帶寬度：SiC的禁帶寬度為3.23eV，相應的本征溫度可高達800攝氏度。這意味著SiC功率器件可以在更高的溫度下工作，從而提高了系統的可靠性和穩定性。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。

六、結論與展望

功率器件熱設計是實現高功率密度、高可靠性功率系統的關鍵。通過合理的散熱設計，可以有效地降低器件溫度，提高器件的利用率和系統可靠性。未來，隨著SiC等新材料的廣泛應用以及封裝技術的不斷進步，功率器件的熱設計將面臨更多挑戰和機遇。一方面，需要不斷研究新的散熱材料和散熱技術，以提高散熱效率；另一方面，也需要加強熱設計與封裝設計的協同優化，以實現更高效的散熱和更可靠的封裝結構。同時，還需要關注熱設計對系統性能和成本的影響，以實現綜合性能的最優化。