功率半导体器件热管理

上海空间电源研究所 施嘉昊

功率半导体器件的应用范围已从传统的航空航天电子、工业控制和4C产业（计算机、通信、消费类电子产品和汽车），扩展到新能源、轨道交通、智能电网等新领域。功率半导体器件在电路中通过大电流和高电压工作状态下，器件很小的区域内功率密度和局部温度非常高，进而产生热点效应，所以必须对功率半导体的热管理高度关注，重点降低器件的工作结温，提升电路、产品的可靠性。

1 功率半导体器件热管理的重要性

1.1 散热对电子产品的重要性

电子产品制造商规定了工作的最高允许温度，如果高于这个温度，他们就不保证预期性能和寿命。随着高性能微电子产品在市场上的广泛应用，产品的散热量更大，需要使用效率更高的冷却技术来保证设备在允许温度下工作。

电子产品工作在较低温度下有很多好处。例如，随着温度降低，微处理器的时钟频率增加，性能提高。另外，温度的降低会减少前述与温度相关故障的概率。电路系统的故障平均间隔时间（MTBF）被定义为系统中两次故障的平均时间间隔。众所周知，故障平均间隔时间随温度倒数呈指数增加。如果T是系统运行温度的绝对值，那么：

式中，C是系统特定常数。系统的可靠性和MTBF正相关。式（1）表明，工作温度越低，MTBF越大，系统的可靠性越高。

1.2 功率半导体器件的损耗与发热

功率半导体器件内部热量的来源主要是芯片内部的损耗由电能向热能的转化，此时所产生的热量需要通过有效的热流路径进行散发。功率半导体器件工作于开关状态，在其开关过程中以及处于导通和关断状态都有功率损耗；包括静态下发生的通态功耗和断态功耗，以及动态过程中产生的开通功耗和关断功耗，最为精确的方法应是根据测试得到的各个阶段实际的电流和电压波形进行计算。

功率半导体工作时要消耗大量能量，这部分能量转化为热量将导致芯片的温度上升。如果芯片的散热问题不能得到很好地解决，不仅将影响到器件性能的充分发挥，并且还可能导致器件的损坏。研究表明，器件的失效率随温度上升呈指数变化，而器件的散热则通过包括印制电路板在内的固体传导和空气的对流实现。因此在电路设计阶段，正确地估算各种不同散热和布置条件下印制电路板上温度的分布和器件的结温，以确保电路的正常工作，对产品的可靠性是至关重要的。

1.3 温度对功率半导体器件性能的影响

大功率半导体器件工作时所产生的热量将导致芯片温度的升高，而半导体器件的性能和寿命是对温度极为敏感的参数。除了器件过电应力会导致失效外，半导体物理常数和器件内部的许多参数，都会随温度的变化而发生改变，其中如本征载流子浓度、载流子生产寿命、漏电流甚至会随温度升高呈指数型变化。

其他一些对双极性器件十分重要的参数，如载流子扩散常数、发射效率和基区迁移率；对功率半导体器件性能十分重要的载流子复合寿命和热导率同样也会随温度变化而变化。这些内部参数的变化对器件的击穿电压、开关时间、导通压降和集电极漏电流等电气参数性能产生影响。

2 功率半导体器件与温度相关的失效

2.1 与温度相关的机械失效

通常机械失效包括过度变形、屈服、裂隙、断裂或者两片材料结合处的分离。当材料受力后产生的压力（单位面积上的力）高于材料的屈服强度，或者两块材料的结合处承受不了剪切或者拉伸力，或者低强度力的重复施加产生疲劳都会引发机械失效。回形针反复弯折几次后断裂是疲劳断裂的一例。各种材料具有热胀冷缩的性质，热膨胀系数（CTE）是指材料单位温度变化所导致的单位长度的膨胀或收缩量，其定义如式（2）所示。

P表明在测量器件压力保持不变，这时材料长度的改变仅是温度变化所致。热膨胀系数的单位是ppm/℃（ppm不是单位，ppm代表10-6。例如，20×10-6 m/℃是指温度每升高1℃,1m长度这种材料的伸长量为20×10-6m（及0.02mm）。不同材料有不同的热膨胀系数。

由于功率半导体器件有各种不同的材料组成，例如：芯片、基板、粘合剂、引线、焊点、塑料、金属外壳等，这些材料的热膨胀系数不同，温度随时间变化和空间温度梯度会导致相关的机械故障，包括拉伸、压缩、弯曲、疲劳和断裂故障。

2.2 与温度相关的电气失效

电气失效是指影响电路、产品性能的失效，这种失效可以是间歇的，也可以是持续的。一些常见的与温度相关的电气失效如下：

热逸溃：晶体管的导通电阻随温度增加而增大。如果晶体管的热量没有及时有效扩散，温度将会上升，引起导通电阻增加，这又会导致更高的热量和更高的温度，发生热逸溃。热逸溃会损坏晶体管。

电过载：温度升高时硅的电阻下降。硅芯片升温时，电阻下降，形成更大电流，反过来又进一步使芯片升温。如果达到材料熔点，会引起永久损伤。

2.3 与温度相关的器件内焊点疲劳

另一个重要的器件热失效原因是焊点的疲劳。功率半导体器件在热冲击作用下，由于绝缘基板与金属底板的膨胀系数不同，导致两者之间的焊接层将产生剪应力，如果应力一直重复，焊接层将发生龟裂，随着龟裂范围的不断扩大，将使得热传导的有效面积逐步减小，进而导致热阻逐渐增大。作为正反馈，热阻增大导致局部温升增高，继而引起剪应力进一步加大，最终导致器件的失效。但通常焊点疲劳呈现一种损耗特性，其发展相对缓慢。

3 功率半导体器件的热设计过程

热设计过程是指利用恰当的传热技术，或再辅以一些机械和电气方面的调整来有效地冷却器件和电子产品。

一个理想的产品设计应该与各个学科的基本原则想匹配，并且推动各方面设计工作平行发展。这样研发出的产品不仅能满足机械、热、电气和其他方面的设计要求，而且会消除或减小在后续设计中做出重大变化的风险，以满足被忽略的要求。在设计周期的初始阶段，比较容易作一些调整，并且实施起来也很经济。然而，随着设计进程的深入，作出调整将会加大难度，实施起来成本也更大。如图1所示，热设计过程起始于概念设计，设计要求来源于：概念设计本身、产品面向的市场、产品工作的环境等。

图1 热设计的不同阶段

概念设计完成并提出了主要设计要求后，下一阶段就是可行性分析。主要分析依据是设计要求和产品规格，包括总散热量、工作温度、海拔以及安全认证要求。对设计要求和产品规格进行综合分析，指出需要修改的要求，并提出几种热设计方案。

可行性分析确定了一些可行的散热方案。下一阶段是总体设计，给主要的发热元器件确定散热方案，并提出产品系统级的热设计方案是本阶段的主要目标。系统级的热设计只注重总体，而不关注产品内部热设计细节。

总体设计的成果是几套系统级热设计方案，其中一套或几套整个设计团队所接受的热设计方案将在下阶段开展详细设计。详细的热设计将会得出所有高能元件的热解决方案，包括散热器、热界面材料，密封自然对流散热系统的外部散热器尺寸、开放系统的进口和出口的尺寸及位置、导热板的尺寸及导热系数等。

在详细设计阶段所用的主要工具是热模型和流动，在这一阶段也会进行一些实验。例如，对于一台依靠风机制冷的网络服务器，在总体设计时已确定这些风机的尺寸位置。实验表明系统内的微小改变不会明显影响总的空气流量。因此，比较好的方法是在进行子系统和板的详细热设计时，同时测试安装好风机的机壳内的流量和流速分布。这有助于建立对分析或模拟结果的信息，或者对模型进行修正，采用更精确的热模型进行详细热设计。

4 结语

热设计是电子产品设计的一个重要方面，良好的热设计已成为高功率密度电子产品得以面世的保障。功率半导体器件已成为各类电子产品的“心脏”，器件的热管理也已成为越来越多电子设计师关注的重点，通过本文的介绍让广大电子设计工程师掌握热管理的有关知识，提升电路、产品的可靠性。

[1](美)戴夫·S．斯坦伯格著,李明锁,丁其伯译．电子设备冷却技术[M]．北京∶航空工业出版社,2012．

[2]吴文伟,文玉良,陆建峰,卢志敏．电力电子装置热管理技术[M]．北京∶机械工业出版社,2016．

[3](美)Tony Kordyban著,李波译．笑谈热设计[M]．北京∶机械工业出版社,2014．