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熱學參數(shù)的重要性
隨著功率器件封裝逐漸面向大電流、小型化，這樣一來，產(chǎn)品的散熱性能顯得尤為重要。熱設計在 IGBT 選型和應用過程中至關重要，關系到模塊應用的可靠性、損耗、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)。關于 IGBT 器件或者是在其應用時，與溫度相關的測試是蠻多的，而這些與熱設計有著很大的關系。今天我們就結合模塊的結構來聊聊這些熱學參數(shù)。
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，其結構和散熱路徑如下圖
任何材料都有其特定的導熱性，比如，木質(zhì)和塑料等絕緣體的導熱性較差而銅和鋁等金屬材料的導熱特性較好，那么我們該如何去量化這樣一個特性呢？這里我們要引入導熱系數(shù)或稱之為導熱率的概念。介質(zhì)傳輸熱能的能力定義為導熱系數(shù)λ（材料的本身特性）。因為導熱系數(shù)是介質(zhì)特定的特性，所以某種材料的導熱系數(shù)在一定溫度范圍內(nèi)可以看作是一個常數(shù)。
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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 之間的關系，而熱容 Cth 表示熱量 Qth 和 T 之間的關系，如下圖所示。
換句話說熱容可以描述為熱量變化與溫差的比值：
Cth=ΔQth/ΔT
熱容 Cth 和比熱容 c(這個我們初中物理就學了)也有特定的關系(Cth=c*m-- 熱容=比熱容*重量)
比熱容 c 定義：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。
下表是和模塊相關材料的熱特性參數(shù)
上表中出現(xiàn)了另一個參數(shù)，熱膨脹系數(shù)α。從模塊的結構可以看出，各層材料之間可以說是緊密相關的，當溫度發(fā)生變化時，熱脹冷縮，材料會發(fā)生形變，而熱膨脹系數(shù)相差越大，那么之間相應產(chǎn)生的應力就會越大，這是不好的。IGBT 模塊大多采用堆疊封裝結構，不同層之間的材料不同，由于熱膨脹系數(shù)的不匹配產(chǎn)生熱應力，在長時間的熱循環(huán)或功率循環(huán)工作中會影響器件的可靠性。所以在設計 IGBT 模塊是，熱膨脹系數(shù)也是選擇時需要考慮和權衡的因素。
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熱阻
由以上分析可知，材料的導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。
假設功耗用 Pth 表示，由熱傳導定律我們最終可以得到
Rth=?T/Pth
一般小功率 IGBT，由于功率不是很大，一般我們都不會太糾結于熱阻的大小，而大功率器件，由于高電壓大電流的場合，導致其溫升要求和散熱能力成為很重要的考慮因素。大功率器件的額定功率一般是指帶散熱器時的功率，散熱器足夠大時且散熱良好時，可以認為其表面到環(huán)境之間的熱阻為 0，所以理想狀態(tài)時殼溫即等于環(huán)境溫度 . 功率器件由于采用了特殊的工藝，所以其最高允許結溫有的可以達到 175 度(當然，隨著第三代半導體材料的出現(xiàn)，芯片的最高允許結溫也做的越來越高)。適用公式：Tc =Tj - P*Rjc. 設計時，Tj 最大值為 150,Rjc 已知，假設環(huán)境溫度也確定，根據(jù)殼溫即等于環(huán)境溫度，那么此時允許的 P 也就隨之確定。
當然，熱阻 Rth 越小，IGBT 模塊使用起來可靠性更好，損耗也會變小。在足夠的高的熱能力面前，電流等級也可以做的越來越大，體積越來越小。所以最高允許結溫，在 IGBT 發(fā)展的歷程中一直扮演著很重要的角色。
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