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热学参数的重要性
随着功率器件封装逐渐面向大电流、小型化,这样一来,产品的散热性能显得尤为重要。热设计在 IGBT 选型和应用过程中至关重要,关系到模块应用的可靠性、损耗、寿命等问题,而模块的热阻和热阻抗是系统散热评估环节必不可少的参数。关于 IGBT 器件或者是在其应用时,与温度相关的测试是蛮多的,而这些与热设计有着很大的关系。今天我们就结合模块的结构来聊聊这些热学参数。
 
目前市场上的主流模块主要分为有铜底板模块和无铜底板模块,其结构和散热路径如下图
 
 
任何材料都有其特定的导热性,比如,木质和塑料等绝缘体的导热性较差而铜和铝等金属材料的导热特性较好,那么我们该如何去量化这样一个特性呢?这里我们要引入导热系数或称之为导热率的概念。介质传输热能的能力定义为导热系数λ(材料的本身特性)。因为导热系数是介质特定的特性,所以某种材料的导热系数在一定温度范围内可以看作是一个常数。
 
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热容
介质除了有传热的特性还有储存热量的特性,我们称为热容,热容就像电容一样,用物理术语描述成储存能量的能力,我们可以把电容和热容做类比。电容 Ce 表示电荷 Q 和电压 U 之间的关系,而热容 Cth 表示热量 Qth 和 T 之间的关系,如下图所示。
 
 
换句话说热容可以描述为热量变化与温差的比值:
 
Cth=ΔQth/ΔT
 
热容 Cth 和比热容 c(这个我们初中物理就学了)也有特定的关系(Cth=c*m-- 热容=比热容*重量)
 
比热容 c 定义:指单位质量的某种物质升高或下降单位温度所吸收或放出的热量。
 
下表是和模块相关材料的热特性参数
 
 
上表中出现了另一个参数,热膨胀系数α。从模块的结构可以看出,各层材料之间可以说是紧密相关的,当温度发生变化时,热胀冷缩,材料会发生形变,而热膨胀系数相差越大,那么之间相应产生的应力就会越大,这是不好的。IGBT 模块大多采用堆叠封装结构,不同层之间的材料不同,由于热膨胀系数的不匹配产生热应力,在长时间的热循环或功率循环工作中会影响器件的可靠性。所以在设计 IGBT 模块是,热膨胀系数也是选择时需要考虑和权衡的因素。
 
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热阻
由以上分析可知,材料的导热特性直接决定了其散热能力,如果已知介质横截面积 A 和厚度 d,就可以得到热阻 Rth,其单位是 K/W。
 
 
假设功耗用 Pth 表示,由热传导定律我们最终可以得到
 
Rth=∆T/Pth
 
一般小功率 IGBT,由于功率不是很大,一般我们都不会太纠结于热阻的大小,而大功率器件,由于高电压大电流的场合,导致其温升要求和散热能力成为很重要的考虑因素。大功率器件的额定功率一般是指带散热器时的功率,散热器足够大时且散热良好时,可以认为其表面到环境之间的热阻为 0,所以理想状态时壳温即等于环境温度 . 功率器件由于采用了特殊的工艺,所以其最高允许结温有的可以达到 175 度(当然,随着第三代半导体材料的出现,芯片的最高允许结温也做的越来越高)。适用公式:Tc =Tj - P*Rjc. 设计时,Tj 最大值为 150,Rjc 已知,假设环境温度也确定,根据壳温即等于环境温度,那么此时允许的 P 也就随之确定。
 
当然,热阻 Rth 越小,IGBT 模块使用起来可靠性更好,损耗也会变小。在足够的高的热能力面前,电流等级也可以做的越来越大,体积越来越小。所以最高允许结温,在 IGBT 发展的历程中一直扮演着很重要的角色。