【導讀】任ren何he導dao熱re材cai料liao都dou有you熱re阻zu，而er且qie熱re阻zu與yu材cai料liao麵mian積ji成cheng反fan比bi
，與yu厚hou度du成cheng正zheng比bi。按an道dao理li說shuo
，銅tong基ji板ban也ye會hui有you額e外wai的de熱re阻zu，那na為wei什shen麼me實shi際ji情qing況kuang是shi有you銅tong基ji板ban的de模mo塊kuai散san熱re更geng好hao呢ne？這zhe是shi因yin為wei熱re的de橫heng向xiang擴kuo散san帶dai來lai的de好hao處chu。

前言

功率半導體熱設計是實現IGBT、碳化矽SiC高(gao)功(gong)率(lv)密(mi)度(du)的(de)基(ji)礎(chu)，隻(zhi)有(you)掌(zhang)握(wo)功(gong)率(lv)半(ban)導(dao)體(ti)的(de)熱(re)設(she)計(ji)基(ji)礎(chu)知(zhi)識(shi)，才(cai)能(neng)完(wan)成(cheng)精(jing)確(que)熱(re)設(she)計(ji)，提(ti)高(gao)功(gong)率(lv)器(qi)件(jian)的(de)利(li)用(yong)率(lv)
，降(jiang)低(di)係(xi)統(tong)成(cheng)本(ben)，並(bing)保(bao)證(zheng)係(xi)統(tong)的(de)可(ke)靠(kao)性(xing)。

功率器件熱設計基礎係列文章會比較係統地講解熱設計基礎知識，相關標準和工程測量方法。

任ren何he導dao熱re材cai料liao都dou有you熱re阻zu
，而er且qie熱re阻zu與yu材cai料liao麵mian積ji成cheng反fan比bi，與yu厚hou度du成cheng正zheng比bi。按an道dao理li說shuo，銅tong基ji板ban也ye會hui有you額e外wai的de熱re阻zu
，那na為wei什shen麼me實shi際ji情qing況kuang是shi有you銅tong基ji板ban的de模mo塊kuai散san熱re更geng好hao呢ne？這zhe是shi因yin為wei熱re的de橫heng向xiang擴kuo散san帶dai來lai的de好hao處chu。


熱橫向擴散

除chu了le熱re阻zu熱re容rong
，另ling一yi個ge影ying響xiang半ban導dao體ti散san熱re的de重zhong要yao物wu理li效xiao應ying為wei熱re的de橫heng向xiang傳chuan導dao。這zhe個ge術shu語yu指zhi熱re能neng在zai熱re導dao體ti內nei立li體ti交jiao叉cha傳chuan輸shu
，即ji熱re量liang不bu僅jin能neng垂chui直zhi傳chuan導dao也ye可ke以yi橫heng向xiang傳chuan導dao。根gen據ju公gong式shi1，可由表麵積A和厚度d計算Rth。

如果熱源的熱流Pth,C從一個有限麵向另一個麵積更大的熱導體傳導，熱量的出口麵積Aout比進口表麵積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。


出口表麵積Aout比進口表麵積Ain大多少取決於兩個因素:

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為入口表麵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，每層的Rth必須單獨確定
，然後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散熱時熱的橫向傳導。


由於熱的橫向傳導，根據方形進口表麵積：


第一層材料的熱阻為：



而對於第二層材料，第一層的橫向傳導導致第二層入口表麵積增大為：


這樣第二層材料的熱阻為：


而它有效的出口麵積：


因此，綜合兩層的情況得到總的熱阻為：


分析

基於這知識點，我們可以做什麼分析呢？

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技術的模塊為例，結對散熱器的熱阻差48%。

由於DCB模塊FS50R12W2T4沒有銅基板
，結對殼的熱阻RthJC=0.45k/W，比有銅基板模塊FS50R12KT4_B15熱阻結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單管的結對殼的熱阻RthJC=0.31k/W


，遠低於模塊，這是因為芯片直接焊接在銅框架上，由於熱擴散效應
，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個芯片通過並聯實現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在3mm厚的銅板上
，並假設熱擴散角是45度。

通過下表的計算發現，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

本文第一章摘自參考資料《IGBT模塊：技術、驅動和應用》
，通過分析各種封裝產品的數值給讀者量化的概念，供參考。

免責聲明：本文為轉載文章，轉載此文目的在於傳遞更多信息
，版權歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權問題，請聯係小編進行處理。

推薦閱讀：

準 Z 源逆變器的設計

第12講：三菱電機高壓SiC芯片技術

一文看懂電壓轉換的級聯和混合概念

意法半導體推出首款超低功耗生物傳感器

，成為眾多新型應用的核心所在

是否存在有關 PCB 走線電感的經驗法則？