功率半导体热阻（Rth）基础知识的详解；

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功率半导体的热设计是实现IGBT和碳化硅SiC高功率密度的基础。只有掌握功率半导体热设计的基础知识，才能完成准确的热设计，提高功率器件的利用率，降低系统成本，保证系统可靠性。

一、功率半导体热阻的概述1、热阻定义功率半导体热阻，英文全称：Thermalsistance，缩写：Rth。它是衡量功率半导体器件（如IGBT、MOSFET、二极管等）散热能力的核心热性能参数。其定义为：器件在稳定导热状态下单位热流（功率损耗）引起的两端温差。它本质上反映了热量从器件发热核心（如芯片结区）向散热终点（如外壳、散热器或环境）传递过程中的受阻程度。

热阻（R）定义为传热过程中温差与热流的比值。公式为：

其中：

R：热阻（单位：/W或K/W，两个值相等，因为温差单位相同）；

T：热传导路径两端的温度差（如芯片结温Tj与外壳温度Tc的差值Tj-Tc）；

P：为热流量，热阻与导热系数成反比，与材料厚度成正比；

另外，如果想更好地理解热阻（Rth），也可以类比电学中的欧姆定律来更好地理解热阻。在电力中，电压差驱动电流，电阻阻碍电流；在热科学中，温差驱动热流，热阻阻碍热流。电流是电荷的流量，热功率是热量的流量。

2、功率半导体的散热功率半导体器件在导通、关断过程以及传导电流时会产生损耗。损失的能量将转化为热能，表现为半导体器件的发热。器件发热会导致器件各点温度升高。半导体器件的温升取决于发热量（损失）和散热效率（散热路径的热阻）。

IGBT模块的风冷散热是一种典型的散热系统，它也包括：热传导、热辐射和热对流三种散热形式。

3、功率半导体的热传导热传导是指由于固体或液体之间的温差而引起的热传递或扩散的现象。热传导的特性可以类比于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，热能工程中的被加热物体就像电气工程中的负载。电气工程有电阻和电容成分，热能工程也有类似性质的成分，称为热阻和热容。

因此，热阻（Rth）是热传导中的一个重要概念。它描述了物质对热传导的阻力，是传热过程中温差与热流的比值。该参数在电子元件设计、散热方案设计等诸多领域发挥着重要作用。

Rth=热阻

P(Pth,C)=功率（热流）

T=温差

这个定义与电路中的欧姆定律一致：Rel。=U/I

不同的介质（固体、液体或气体）具有不同的导热能力。以热量形式传输热能的能力定义为导热系数。由于导热系数是介质的一个特性，因此某种材料的导热系数可以视为一个常数。导热系数也称为导热系数，单位为W/(m·K)。下表给出了某些材料的lambda 值。

二、功率半导体热阻（Rth）的分类1、结壳热阻（Rth(j-c)）是指芯片与外壳结点（热源）之间的热阻。它是功率半导体器件规格书中经常标注的参数之一，反映了芯片结区到外壳的热传导难易程度。

2、结环热阻（Rth(j-a)）是指芯片结到周围环境空气的热阻。它综合考虑了从接合处到壳体，再从壳体到环境空气的整个传热路径的阻力。

3、其他热阻（Rth）还有结到电路板热阻（Rth(j-b)）等，用于描述芯片结与不同位置之间的热传递特性。

三、功率半导体热阻（Rth）的导热系数热阻与导热介质的横截面积A成反比，与厚度d成正比。其单位为K/W：

Rth=d/A

金属铝和铜具有良好的导热性，常被用来制作功率半导体的散热器。然而，再好的导体也会引入热阻，而且厚度越大，热阻越高。

有了热阻和导热系数的概念，就可以与产品联系起来：

热阻(Rth) 由材料的导热率、厚度和面积决定。实际的铜基板IGBT功率模块的热阻分布如下图所示。芯片焊料的导热性不好，导热系数约为30W/(m·K)，但很薄，厚度往往只有0.1mm，因此热阻仅占功率模块的4%。 DCB中陶瓷的导热率为25W/(m·K)，与焊料相差不大，但其厚度为0.38mm，几乎是焊料层的4倍，因此热阻占比高达28%。

当我们定义模块外壳到散热器的热阻（Rth）时，我们假设导热硅脂的导热系数为1W/（m·K），厚度为30-100um。在芯片的散热路径中，占比高达37%，是最大的部分。因此，采用更好的导热材料来缓解散热瓶颈、提高功率密度是一项重要措施。这就是英飞凌为模块提供预涂导热材料的原因。

同样，我们也可以模拟分析芯片厚度对热阻的影响。

为了简化问题，我们以采用扩散焊的单管为例，其结构简单。由于采用扩散焊，热阻主要由芯片和铜框构成。仿真条件：假设硅片面积为5.1mm，硅片厚度分别为350um和110um，芯片损耗为170W。

直观上可以看出，硅的导热性能并不是特别好。同等条件下，350um芯片的温度比110um芯片高15度。原因是芯片厚度导致热阻增加。

但器件的耐压与漂移区的长度和电阻率有关。晶圆太薄意味着耐压较低，漂移区太厚则漂移区电阻较大，热阻增大。英飞凌开发的IGBT薄晶圆技术是一个完美的设计。

功率开关器件的耐压与其漂移区的长度和电阻率有关。 MOSFET是单极功率开关器件，其通态电阻直接由漂移区的长度和电阻率决定，并与其材料的临界击穿电场强度的立方成反比。由于4H-SiC的临界击穿电场强度是Si的10倍，因此基于SiC的功率器件允许使用更薄的漂移区来维持更高的阻断电压，从而显着降低正向压降和传导损耗，同时降低热阻（Rth）。

作为论文设计示例，如果想要获得5000V的耐压，则使用掺杂2.5*1013/cm3的基板材料。硅基功率器件要求漂移层厚度为0.5mm，单位面积电阻为10cm2； SiC MOSFET采用2.0*1015/cm3掺杂的漂移层，要求厚度仅为0.05mm，单位面积电阻仅为0.02cm2。

同时碳化硅的导热系数为490W/(m·K)，因此碳化硅芯片可以实现高功率密度。也就是说芯片面积小，可以保证芯片的散热。

SiC的带隙宽度为3.23ev，相应的本征温度可高达800摄氏度。如果能够突破材料和封装的温度瓶颈，功率器件的工作温度将提升到一个全新的水平。

四、功率半导体热阻（Rth）的影响因素不知您在功率半导体封装热设计过程中是否思考过一个问题，即是什么决定了封装的热阻？其影响因素有哪些？举个直观的例子，如果我在同一个模块中放入一颗芯片或多颗芯片，测得的封装热阻会一样吗？接下来我就谈谈我对这个问题的理解。

下图为电源模块的典型结构功能曲线。相信做包装的人都很熟悉。横坐标对应于热阻，纵坐标对应于热容量。该曲线对应于从芯片到外部环境的热阻抗分布。根据曲线的斜率变化，可以匹配相应的散热路径材料。

由于结构曲线具有明确的物理意义，且每一层材料都对应一个热阻抗，所以最直观的理解就是每种类型封装对应的结构函数曲线都是唯一的。

然而，在实际的包装设计过程中，我发现了一个“矛盾”点，就是上面提到的。在同一个模块中，如果我放入一颗芯片或多颗芯片，测得的封装热阻会相同吗？

因为根据封装热阻的定义公式：封装结壳/流体热阻等于芯片结温减去壳/流体温度除以总加热功耗。

这会导致一个问题。如果我将一个芯片或两个芯片放在同一个封装内，测得的芯片温升可能相同，但模块的功耗会增加一倍，因此封装的热阻也会增加一倍。在这两种情况下，我得到了两个封装热阻。它们与热阻抗曲线有何对应关系？哪一个是正确的？明明是相同的封装结构，但是上面每个封装对应的结构函数曲线都是唯一的，这不是矛盾吗？

结论如下：模块热阻不仅与封装结构和材料有关，还与内部芯片的数量有关。对于同一封装结构，如果内部放置一颗芯片或多颗芯片，测得的结构函数曲线也不同，即热阻抗也不同。

原因是什么？我用一句话来概括：实际使用的散热路径面积根据芯片数量的不同而不同。看看大家是否能明白这一点。

对于结构函数曲线，热阻抗曲线的每一段对应散热路径中各层材料的热阻，并修改为更贴近地对应散热路径中各层材料实际使用的散热区域的热阻。这样，每一层的热阻抗就会不同。这就不难理解为什么同样的封装结构，其结构函数曲线会有所不同。因此，即使封装结构相同，当芯片数量（包括芯片间距）不同或芯片尺寸不同时，测得的热阻抗曲线也可能不同。它是独一无二的，但又不是独一无二的。独特之处在于每个模块对应的结构功能曲线都是唯一的。不独特的是，相同封装结构对应的结构功能曲线不一定相同。

简单来说：影响功率半导体热阻（Rth）的核心因素有：器件本身的特性、封装工艺和材料、系统散热设计。

五、功率半导体热阻（Rth）的重要性1、影响器件可靠性功率半导体工作时，电损耗（传导损耗和开关损耗）转化为热量，集中在器件结区。如果热量不能及时散发，结温就会超过极限，严重影响器件的可靠性。热阻（Rth）越小，相同热源功率下器件的温升越小，散热能力越强。

2、指导热设计热阻（Rth）是实现电损耗与热管理分析互通的基本指标。它是功率半导体器件规格书中经常标注的参数之一。准确掌握热阻（Rth）指标可以为器件选型、散热方案设计和安全裕度评估提供关键依据。工程师可以根据热阻（Rth）数据进行结温预测、热设计验证和寿命分析，及早发现潜在的热瓶颈，提高系统设计的可靠性和稳定性。

六、功率半导体热阻（Rth）的测试方法1、稳态法最基本的测试方法是对器件施加恒定功率，直至温度达到稳定状态，然后测量结温和参考点温度（如外壳或环境温度），然后根据公式Rth=(Tj-Tref)/P计算热阻。测试要求温度达到热平衡，热流路稳定，但测试时间较长。参考标准为《JESD51 - 2》和《MIL - STD - 883 Method 1012.1》。

2、瞬态法通过测量施加功率变化时设备的温度响应来计算热阻。该方法根据热阻和热容的逐步累加生成累积结构函数，并对累积结构函数进行微分，得到微分结构函数，其峰值反映了材料的边界。

七、总结一下功率半导体热阻（Rth）是表征器件传热受阻程度的核心热性能参数。其本质是热量从芯片结区（发热芯）传导至散热终点过程中单位功率损耗所引起的温差的量化表达。它是器件散热能力的核心量化标尺。

从器件本质影响来看，它直接决定了结温控制边界——。热阻（Rth）的大小与结温的升高呈正相关，从根本上影响器件的工作稳定性（避免热失控引起的性能漂移）、使用寿命（结温每升高10，寿命通常减半）和极限功耗承载能力（低热阻器件可以在较高功率密度下安全工作）。这是功率半导体核心性能的根本制约。

从全流程应用价值来看，贯穿功率半导体研发（材料选型和结构设计的核心基础）、封装技术（互连方式、基板材料、封装结构优化的关键指导）、系统应用（匹配场景需求的器件选型、突破瓶颈的散热方案设计、定量可靠性评估）的全链条。它不仅是连接器件本身与系统散热的关键桥梁，也是保证电力电子系统高效、稳定、长寿命运行的核心指标和决策依据。

参考資料[1] JESD51-1:1995，集成电路热测量方法- 电气测试方法

[2] JESD51-14:2010，用于测量单路径热流的半导体器件外壳热阻结的瞬态双接口测试方法

[3] MIL-STD-883E，方法1012.1，热特性，1980 年11 月4 日

评论编辑黄宇