功率半导体热规划是完结IGBT、碳化硅SiC高功率密度的根底，只要把握功率半导体的热规划根底知识，才干完结准确热规划，进步功率器材的利用率，下降体系本钱，并确保体系的可靠性。

　　功率器材热规划根底系列文章会比较体系地讲解热规划根底知识，有关规范和工程测量方法。

　　功率半导体器材在注册和关断进程中和导通电流时会发生损耗，丢失的能量会转化为热能，表现为半导体器材发热，器材的发热会形成器材各点温度的升高。

　　半导体器材的温度上升，取决于发生热量多少（损耗）和散热功率（散热通路的热阻）。

　　IGBT模块的风冷散热是典型的散热体系，一起包含了散热的方式三种:热传导、热辐射和热对流。

　　热传导是指固体或液体之间由于温度差而发生热量传递或分散的现象。热传导的特性可以类比为电气工程中的欧姆定律，如图所示。热能工程中的热源就像电气工程中的电源，热能工程中的受热体就像是电气工程中的负载，电气工程有电阻电容元件，热能工程也有相似特点的元件，称为热阻和热容。

　　热阻是一个在热传导中至关重要的概念，它描绘了物质对热传导的阻力，为传热进程中温度差与热流量比值。这一参数在电子元器材规划、散热方案规划等多个范畴都扮演着重要人物。

　　不同介质(固体、液体或气体)导热才能不同，以热的方式传输热能的才能界说为导热系数λ。由于导热系数是介质的特性，所以某种资料的导热系数可以看作是一个常数。导热系数又称热导率，单位是W/(m·K)。下表给出了一些资料的λ值。

　　从上表可以正常的看到功率半导体常用资料的导热系数，如硅的导热系数是100W/(m·K)，而碳化硅的导热系数是490W/(m·K)，所以说碳化硅散热性比硅好许多，且优于金属铜25%，乃至比金属银还好。

　　金属铝和铜有很好的导热性，常用于制作功率半导体的散热器，但再好的导体也会引进热阻，并且厚度越大，热阻越高。

　　热阻是由资料导热系数，厚度，面积决议的，一个实践带铜基板的IGBT功率模块的热阻散布如下图所示，芯片焊料导热性并不好，导热系数30W/(m·K)左右，但很薄，厚度往往只要0.1mm，所以在功率模块中热阻只占4%。而DCB中的陶瓷导热系数25 W/(m·K)，与焊料差得不多，但厚度有0.38mm，几乎是焊接层的4倍，所以热阻占比高达28%。

　　咱们在界说模块壳到散热器的热阻时，假定导热硅脂的导热系数是1W/(m·K)，厚度为30-100um，在芯片的散热通路中，其占比高达37%，是最大的部分。所以用更好的导热资料缓解散热瓶颈，进步功率密度的重要行动，这为什么英飞凌供给预涂导热资料的模块。

　　为了简化问题，咱们用选用分散焊的单管为例，其结构相对比较简单。由于选用分散焊，热阻主要由芯片和铜结构构成，仿真条件：假定硅芯片的面积5.1mm² ，硅的芯片厚度分别为350um和110um，芯片损耗 170W。

　　可以直观地看清硅导热性不是特别好，相同条件下，350um的芯片要比110um芯片温度高15度，原因是芯片的厚度形成的热阻增大。

　　但器材的耐压与漂移区的长度和电阻率有关，太薄的晶圆意味着更低的耐压，太厚漂移区漂移区电阻也更大，热阻也添加，英飞凌开发IGBT薄晶圆技能便是一种完美的规划。

　　功率开关器材的耐压与其漂移区的长度和电阻率有关，而MOSFET是单极性功率开关器材，其通态电阻又直接决议于漂移区的长度和电阻率，与其制作资料临界击穿电场强度的立方成反比。由于4H-SiC有10倍于Si的临界击穿电场强度，因而根据SiC的功率器材答应运用更薄的漂移区来保持更高的阻断电压，然后显着下降了正向压降以及导通损耗，一起减小热阻。

　　一起碳化硅的导热系数是490W/(m·K)，所以碳化硅芯片能轻松完结很高的功率密度，便是说，芯片面积很小，也可以确保芯片的散热。

　　SiC的禁带宽度3.23ev，相应的本征温度可高达800摄氏度。若可以打破资料及封装的温度瓶颈，则功率器材的作业时分的温度将会提升到一个全新的高度。