功率半導(dǎo)體器件熱管理

上?？臻g電源研究所 施嘉昊

功率半導(dǎo)體器件的應(yīng)用范圍已從傳統(tǒng)的航空航天電子、工業(yè)控制和4C產(chǎn)業(yè)（計(jì)算機(jī)、通信、消費(fèi)類電子產(chǎn)品和汽車），擴(kuò)展到新能源、軌道交通、智能電網(wǎng)等新領(lǐng)域。功率半導(dǎo)體器件在電路中通過(guò)大電流和高電壓工作狀態(tài)下，器件很小的區(qū)域內(nèi)功率密度和局部溫度非常高，進(jìn)而產(chǎn)生熱點(diǎn)效應(yīng)，所以必須對(duì)功率半導(dǎo)體的熱管理高度關(guān)注，重點(diǎn)降低器件的工作結(jié)溫，提升電路、產(chǎn)品的可靠性。

1 功率半導(dǎo)體器件熱管理的重要性

1.1 散熱對(duì)電子產(chǎn)品的重要性

電子產(chǎn)品制造商規(guī)定了工作的最高允許溫度，如果高于這個(gè)溫度，他們就不保證預(yù)期性能和壽命。隨著高性能微電子產(chǎn)品在市場(chǎng)上的廣泛應(yīng)用，產(chǎn)品的散熱量更大，需要使用效率更高的冷卻技術(shù)來(lái)保證設(shè)備在允許溫度下工作。

電子產(chǎn)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(shí)鐘頻率增加，性能提高。另外，溫度的降低會(huì)減少前述與溫度相關(guān)故障的概率。電路系統(tǒng)的故障平均間隔時(shí)間（MTBF）被定義為系統(tǒng)中兩次故障的平均時(shí)間間隔。眾所周知，故障平均間隔時(shí)間隨溫度倒數(shù)呈指數(shù)增加。如果T是系統(tǒng)運(yùn)行溫度的絕對(duì)值，那么：

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

1.2 功率半導(dǎo)體器件的損耗與發(fā)熱

功率半導(dǎo)體器件內(nèi)部熱量的來(lái)源主要是芯片內(nèi)部的損耗由電能向熱能的轉(zhuǎn)化，此時(shí)所產(chǎn)生的熱量需要通過(guò)有效的熱流路徑進(jìn)行散發(fā)。功率半導(dǎo)體器件工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，在其開(kāi)關(guān)過(guò)程中以及處于導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)都有功率損耗；包括靜態(tài)下發(fā)生的通態(tài)功耗和斷態(tài)功耗，以及動(dòng)態(tài)過(guò)程中產(chǎn)生的開(kāi)通功耗和關(guān)斷功耗，最為精確的方法應(yīng)是根據(jù)測(cè)試得到的各個(gè)階段實(shí)際的電流和電壓波形進(jìn)行計(jì)算。

功率半導(dǎo)體工作時(shí)要消耗大量能量，這部分能量轉(zhuǎn)化為熱量將導(dǎo)致芯片的溫度上升。如果芯片的散熱問(wèn)題不能得到很好地解決，不僅將影響到器件性能的充分發(fā)揮，并且還可能導(dǎo)致器件的損壞。研究表明，器件的失效率隨溫度上升呈指數(shù)變化，而器件的散熱則通過(guò)包括印制電路板在內(nèi)的固體傳導(dǎo)和空氣的對(duì)流實(shí)現(xiàn)。因此在電路設(shè)計(jì)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(jié)溫，以確保電路的正常工作，對(duì)產(chǎn)品的可靠性是至關(guān)重要的。

1.3 溫度對(duì)功率半導(dǎo)體器件性能的影響

大功率半導(dǎo)體器件工作時(shí)所產(chǎn)生的熱量將導(dǎo)致芯片溫度的升高，而半導(dǎo)體器件的性能和壽命是對(duì)溫度極為敏感的參數(shù)。除了器件過(guò)電應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致失效外，半導(dǎo)體物理常數(shù)和器件內(nèi)部的許多參數(shù)，都會(huì)隨溫度的變化而發(fā)生改變，其中如本征載流子濃度、載流子生產(chǎn)壽命、漏電流甚至?xí)S溫度升高呈指數(shù)型變化。

其他一些對(duì)雙極性器件十分重要的參數(shù)，如載流子擴(kuò)散常數(shù)、發(fā)射效率和基區(qū)遷移率；對(duì)功率半導(dǎo)體器件性能十分重要的載流子復(fù)合壽命和熱導(dǎo)率同樣也會(huì)隨溫度變化而變化。這些內(nèi)部參數(shù)的變化對(duì)器件的擊穿電壓、開(kāi)關(guān)時(shí)間、導(dǎo)通壓降和集電極漏電流等電氣參數(shù)性能產(chǎn)生影響。

2 功率半導(dǎo)體器件與溫度相關(guān)的失效

2.1 與溫度相關(guān)的機(jī)械失效

通常機(jī)械失效包括過(guò)度變形、屈服、裂隙、斷裂或者兩片材料結(jié)合處的分離。當(dāng)材料受力后產(chǎn)生的壓力（單位面積上的力）高于材料的屈服強(qiáng)度，或者兩塊材料的結(jié)合處承受不了剪切或者拉伸力，或者低強(qiáng)度力的重復(fù)施加產(chǎn)生疲勞都會(huì)引發(fā)機(jī)械失效?；匦吾?lè)磸?fù)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(zhì)，熱膨脹系數(shù)（CTE）是指材料單位溫度變化所導(dǎo)致的單位長(zhǎng)度的膨脹或收縮量，其定義如式（2）所示。

P表明在測(cè)量器件壓力保持不變，這時(shí)材料長(zhǎng)度的改變僅是溫度變化所致。熱膨脹系數(shù)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(zhǎng)度這種材料的伸長(zhǎng)量為20×10-6m（及0.02mm）。不同材料有不同的熱膨脹系數(shù)。

由于功率半導(dǎo)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(diǎn)、塑料、金屬外殼等，這些材料的熱膨脹系數(shù)不同，溫度隨時(shí)間變化和空間溫度梯度會(huì)導(dǎo)致相關(guān)的機(jī)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(guān)的電氣失效

電氣失效是指影響電路、產(chǎn)品性能的失效，這種失效可以是間歇的，也可以是持續(xù)的。一些常見(jiàn)的與溫度相關(guān)的電氣失效如下：

熱逸潰：晶體管的導(dǎo)通電阻隨溫度增加而增大。如果晶體管的熱量沒(méi)有及時(shí)有效擴(kuò)散，溫度將會(huì)上升，引起導(dǎo)通電阻增加，這又會(huì)導(dǎo)致更高的熱量和更高的溫度，發(fā)生熱逸潰。熱逸潰會(huì)損壞晶體管。

電過(guò)載：溫度升高時(shí)硅的電阻下降。硅芯片升溫時(shí)，電阻下降，形成更大電流，反過(guò)來(lái)又進(jìn)一步使芯片升溫。如果達(dá)到材料熔點(diǎn)，會(huì)引起永久損傷。

2.3 與溫度相關(guān)的器件內(nèi)焊點(diǎn)疲勞

另一個(gè)重要的器件熱失效原因是焊點(diǎn)的疲勞。功率半導(dǎo)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(shù)不同，導(dǎo)致兩者之間的焊接層將產(chǎn)生剪應(yīng)力，如果應(yīng)力一直重復(fù)，焊接層將發(fā)生龜裂，隨著龜裂范圍的不斷擴(kuò)大，將使得熱傳導(dǎo)的有效面積逐步減小，進(jìn)而導(dǎo)致熱阻逐漸增大。作為正反饋，熱阻增大導(dǎo)致局部溫升增高，繼而引起剪應(yīng)力進(jìn)一步加大，最終導(dǎo)致器件的失效。但通常焊點(diǎn)疲勞呈現(xiàn)一種損耗特性，其發(fā)展相對(duì)緩慢。

3 功率半導(dǎo)體器件的熱設(shè)計(jì)過(guò)程

熱設(shè)計(jì)過(guò)程是指利用恰當(dāng)?shù)膫鳠峒夹g(shù)，或再輔以一些機(jī)械和電氣方面的調(diào)整來(lái)有效地冷卻器件和電子產(chǎn)品。

一個(gè)理想的產(chǎn)品設(shè)計(jì)應(yīng)該與各個(gè)學(xué)科的基本原則想匹配，并且推動(dòng)各方面設(shè)計(jì)工作平行發(fā)展。這樣研發(fā)出的產(chǎn)品不僅能滿足機(jī)械、熱、電氣和其他方面的設(shè)計(jì)要求，而且會(huì)消除或減小在后續(xù)設(shè)計(jì)中做出重大變化的風(fēng)險(xiǎn)，以滿足被忽略的要求。在設(shè)計(jì)周期的初始階段，比較容易作一些調(diào)整，并且實(shí)施起來(lái)也很經(jīng)濟(jì)。然而，隨著設(shè)計(jì)進(jìn)程的深入，作出調(diào)整將會(huì)加大難度，實(shí)施起來(lái)成本也更大。如圖1所示，熱設(shè)計(jì)過(guò)程起始于概念設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)要求來(lái)源于：概念設(shè)計(jì)本身、產(chǎn)品面向的市場(chǎng)、產(chǎn)品工作的環(huán)境等。

圖1 熱設(shè)計(jì)的不同階段

概念設(shè)計(jì)完成并提出了主要設(shè)計(jì)要求后，下一階段就是可行性分析。主要分析依據(jù)是設(shè)計(jì)要求和產(chǎn)品規(guī)格，包括總散熱量、工作溫度、海拔以及安全認(rèn)證要求。對(duì)設(shè)計(jì)要求和產(chǎn)品規(guī)格進(jìn)行綜合分析，指出需要修改的要求，并提出幾種熱設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)，給主要的發(fā)熱元器件確定散熱方案，并提出產(chǎn)品系統(tǒng)級(jí)的熱設(shè)計(jì)方案是本階段的主要目標(biāo)。系統(tǒng)級(jí)的熱設(shè)計(jì)只注重總體，而不關(guān)注產(chǎn)品內(nèi)部熱設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。

總體設(shè)計(jì)的成果是幾套系統(tǒng)級(jí)熱設(shè)計(jì)方案，其中一套或幾套整個(gè)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)所接受的熱設(shè)計(jì)方案將在下階段開(kāi)展詳細(xì)設(shè)計(jì)。詳細(xì)的熱設(shè)計(jì)將會(huì)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(duì)流散熱系統(tǒng)的外部散熱器尺寸、開(kāi)放系統(tǒng)的進(jìn)口和出口的尺寸及位置、導(dǎo)熱板的尺寸及導(dǎo)熱系數(shù)等。

在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段所用的主要工具是熱模型和流動(dòng)，在這一階段也會(huì)進(jìn)行一些實(shí)驗(yàn)。例如，對(duì)于一臺(tái)依靠風(fēng)機(jī)制冷的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，在總體設(shè)計(jì)時(shí)已確定這些風(fēng)機(jī)的尺寸位置。實(shí)驗(yàn)表明系統(tǒng)內(nèi)的微小改變不會(huì)明顯影響總的空氣流量。因此，比較好的方法是在進(jìn)行子系統(tǒng)和板的詳細(xì)熱設(shè)計(jì)時(shí)，同時(shí)測(cè)試安裝好風(fēng)機(jī)的機(jī)殼內(nèi)的流量和流速分布。這有助于建立對(duì)分析或模擬結(jié)果的信息，或者對(duì)模型進(jìn)行修正，采用更精確的熱模型進(jìn)行詳細(xì)熱設(shè)計(jì)。

4 結(jié)語(yǔ)

熱設(shè)計(jì)是電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一個(gè)重要方面，良好的熱設(shè)計(jì)已成為高功率密度電子產(chǎn)品得以面世的保障。功率半導(dǎo)體器件已成為各類電子產(chǎn)品的“心臟”，器件的熱管理也已成為越來(lái)越多電子設(shè)計(jì)師關(guān)注的重點(diǎn)，通過(guò)本文的介紹讓廣大電子設(shè)計(jì)工程師掌握熱管理的有關(guān)知識(shí)，提升電路、產(chǎn)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(shè)備冷卻技術(shù)[M]．北京∶航空工業(yè)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(shù)[M]．北京∶機(jī)械工業(yè)出版社,2016．

[3](美)Tony Kordyban著,李波譯．笑談熱設(shè)計(jì)[M]．北京∶機(jī)械工業(yè)出版社,2014．