功率半導體器件熱管理

上海空間電源研究所 施嘉昊

功率半導體器件的應用范圍已從傳統的航空航天電子、工業控制和4C產業（計算機、通信、消費類電子產品和汽車），擴展到新能源、軌道交通、智能電網等新領域。功率半導體器件在電路中通過大電流和高電壓工作狀態下，器件很小的區域內功率密度和局部溫度非常高，進而產生熱點效應，所以必須對功率半導體的熱管理高度關注，重點降低器件的工作結溫，提升電路、產品的可靠性。

1 功率半導體器件熱管理的重要性

1.1 散熱對電子產品的重要性

電子產品制造商規定了工作的最高允許溫度，如果高于這個溫度，他們就不保證預期性能和壽命。隨著高性能微電子產品在市場上的廣泛應用，產品的散熱量更大，需要使用效率更高的冷卻技術來保證設備在允許溫度下工作。

電子產品工作在較低溫度下有很多好處。例如，隨著溫度降低，微處理器的時鐘頻率增加，性能提高。另外，溫度的降低會減少前述與溫度相關故障的概率。電路系統的故障平均間隔時間（MTBF）被定義為系統中兩次故障的平均時間間隔。眾所周知，故障平均間隔時間隨溫度倒數呈指數增加。如果T是系統運行溫度的絕對值，那么：

式中，C是系統特定常數。系統的可靠性和MTBF正相關。式（1）表明，工作溫度越低，MTBF越大，系統的可靠性越高。

1.2 功率半導體器件的損耗與發熱

功率半導體器件內部熱量的來源主要是芯片內部的損耗由電能向熱能的轉化，此時所產生的熱量需要通過有效的熱流路徑進行散發。功率半導體器件工作于開關狀態，在其開關過程中以及處于導通和關斷狀態都有功率損耗；包括靜態下發生的通態功耗和斷態功耗，以及動態過程中產生的開通功耗和關斷功耗，最為精確的方法應是根據測試得到的各個階段實際的電流和電壓波形進行計算。

功率半導體工作時要消耗大量能量，這部分能量轉化為熱量將導致芯片的溫度上升。如果芯片的散熱問題不能得到很好地解決，不僅將影響到器件性能的充分發揮，并且還可能導致器件的損壞。研究表明，器件的失效率隨溫度上升呈指數變化，而器件的散熱則通過包括印制電路板在內的固體傳導和空氣的對流實現。因此在電路設計階段，正確地估算各種不同散熱和布置條件下印制電路板上溫度的分布和器件的結溫，以確保電路的正常工作，對產品的可靠性是至關重要的。

1.3 溫度對功率半導體器件性能的影響

大功率半導體器件工作時所產生的熱量將導致芯片溫度的升高，而半導體器件的性能和壽命是對溫度極為敏感的參數。除了器件過電應力會導致失效外，半導體物理常數和器件內部的許多參數，都會隨溫度的變化而發生改變，其中如本征載流子濃度、載流子生產壽命、漏電流甚至會隨溫度升高呈指數型變化。

其他一些對雙極性器件十分重要的參數，如載流子擴散常數、發射效率和基區遷移率；對功率半導體器件性能十分重要的載流子復合壽命和熱導率同樣也會隨溫度變化而變化。這些內部參數的變化對器件的擊穿電壓、開關時間、導通壓降和集電極漏電流等電氣參數性能產生影響。

2 功率半導體器件與溫度相關的失效

2.1 與溫度相關的機械失效

通常機械失效包括過度變形、屈服、裂隙、斷裂或者兩片材料結合處的分離。當材料受力后產生的壓力（單位面積上的力）高于材料的屈服強度，或者兩塊材料的結合處承受不了剪切或者拉伸力，或者低強度力的重復施加產生疲勞都會引發機械失效。回形針反復彎折幾次后斷裂是疲勞斷裂的一例。各種材料具有熱脹冷縮的性質，熱膨脹系數（CTE）是指材料單位溫度變化所導致的單位長度的膨脹或收縮量，其定義如式（2）所示。

P表明在測量器件壓力保持不變，這時材料長度的改變僅是溫度變化所致。熱膨脹系數的單位是ppm/℃（ppm不是單位，ppm代表10-6。例如，20×10-6 m/℃是指溫度每升高1℃,1m長度這種材料的伸長量為20×10-6m（及0.02mm）。不同材料有不同的熱膨脹系數。

由于功率半導體器件有各種不同的材料組成，例如：芯片、基板、粘合劑、引線、焊點、塑料、金屬外殼等，這些材料的熱膨脹系數不同，溫度隨時間變化和空間溫度梯度會導致相關的機械故障，包括拉伸、壓縮、彎曲、疲勞和斷裂故障。

2.2 與溫度相關的電氣失效

電氣失效是指影響電路、產品性能的失效，這種失效可以是間歇的，也可以是持續的。一些常見的與溫度相關的電氣失效如下：

熱逸潰：晶體管的導通電阻隨溫度增加而增大。如果晶體管的熱量沒有及時有效擴散，溫度將會上升，引起導通電阻增加，這又會導致更高的熱量和更高的溫度，發生熱逸潰。熱逸潰會損壞晶體管。

電過載：溫度升高時硅的電阻下降。硅芯片升溫時，電阻下降，形成更大電流，反過來又進一步使芯片升溫。如果達到材料熔點，會引起永久損傷。

2.3 與溫度相關的器件內焊點疲勞

另一個重要的器件熱失效原因是焊點的疲勞。功率半導體器件在熱沖擊作用下，由于絕緣基板與金屬底板的膨脹系數不同，導致兩者之間的焊接層將產生剪應力，如果應力一直重復，焊接層將發生龜裂，隨著龜裂范圍的不斷擴大，將使得熱傳導的有效面積逐步減小，進而導致熱阻逐漸增大。作為正反饋，熱阻增大導致局部溫升增高，繼而引起剪應力進一步加大，最終導致器件的失效。但通常焊點疲勞呈現一種損耗特性，其發展相對緩慢。

3 功率半導體器件的熱設計過程

熱設計過程是指利用恰當的傳熱技術，或再輔以一些機械和電氣方面的調整來有效地冷卻器件和電子產品。

一個理想的產品設計應該與各個學科的基本原則想匹配，并且推動各方面設計工作平行發展。這樣研發出的產品不僅能滿足機械、熱、電氣和其他方面的設計要求，而且會消除或減小在后續設計中做出重大變化的風險，以滿足被忽略的要求。在設計周期的初始階段，比較容易作一些調整，并且實施起來也很經濟。然而，隨著設計進程的深入，作出調整將會加大難度，實施起來成本也更大。如圖1所示，熱設計過程起始于概念設計，設計要求來源于：概念設計本身、產品面向的市場、產品工作的環境等。

圖1 熱設計的不同階段

概念設計完成并提出了主要設計要求后，下一階段就是可行性分析。主要分析依據是設計要求和產品規格，包括總散熱量、工作溫度、海拔以及安全認證要求。對設計要求和產品規格進行綜合分析，指出需要修改的要求，并提出幾種熱設計方案。

可行性分析確定了一些可行的散熱方案。下一階段是總體設計，給主要的發熱元器件確定散熱方案，并提出產品系統級的熱設計方案是本階段的主要目標。系統級的熱設計只注重總體，而不關注產品內部熱設計細節。

總體設計的成果是幾套系統級熱設計方案，其中一套或幾套整個設計團隊所接受的熱設計方案將在下階段開展詳細設計。詳細的熱設計將會得出所有高能元件的熱解決方案，包括散熱器、熱界面材料，密封自然對流散熱系統的外部散熱器尺寸、開放系統的進口和出口的尺寸及位置、導熱板的尺寸及導熱系數等。

在詳細設計階段所用的主要工具是熱模型和流動，在這一階段也會進行一些實驗。例如，對于一臺依靠風機制冷的網絡服務器，在總體設計時已確定這些風機的尺寸位置。實驗表明系統內的微小改變不會明顯影響總的空氣流量。因此，比較好的方法是在進行子系統和板的詳細熱設計時，同時測試安裝好風機的機殼內的流量和流速分布。這有助于建立對分析或模擬結果的信息，或者對模型進行修正，采用更精確的熱模型進行詳細熱設計。

4 結語

熱設計是電子產品設計的一個重要方面，良好的熱設計已成為高功率密度電子產品得以面世的保障。功率半導體器件已成為各類電子產品的“心臟”，器件的熱管理也已成為越來越多電子設計師關注的重點，通過本文的介紹讓廣大電子設計工程師掌握熱管理的有關知識，提升電路、產品的可靠性。

[1](美)戴夫·S．斯坦伯格著,李明鎖,丁其伯譯．電子設備冷卻技術[M]．北京∶航空工業出版社,2012．

[2]吳文偉,文玉良,陸建峰,盧志敏．電力電子裝置熱管理技術[M]．北京∶機械工業出版社,2016．

[3](美)Tony Kordyban著,李波譯．笑談熱設計[M]．北京∶機械工業出版社,2014．