IGBT热阻的参数

热设计在IGBT的选型中是非常重要的，关乎模块的可靠性和寿命，而模块的热阻及热阻抗参数是系统散热能力评估的基本要素，这里，就简单聊聊热阻和热阻抗参数及测试方法

热阻和热阻抗

首先，看规格书中关于热阻的参数

很显然，这是一个稳态热阻参数

稳态热阻的定义是公式Rth=△T/P（当有热量在物体上传输时，在物体两端温度差与热源的功率之间的比值），可以参照我们熟悉的电学来理解，即△T为势能差，Rth为导热材料对热量的阻挡作用，散热功率P类似于传导的电流

我们知道，电路中通直流的时候，只需考虑电阻的作用，交流才会引入电感和电容的影响；热路中，若散热功率恒定，即芯片发热恒定，那么一般只需考虑稳态热阻Rth的作用，但是，一般瞬时功率P是变化的，这时候，规格书上就给出了瞬态热阻抗Zth的概念，它是时间的函数

瞬态热阻之所示是时间的函数，说明还有热容的作用，没错，就是高中物理学的热容

因此，热量在散热层传导过程中，同时受到热阻和热容的影响

就像电路一样，那这个热路怎么描述呢

热路网络模型

第一种：连续网络热路模型，即Cauer模型

该模型容易理解，每一层散热材料（芯片、芯片连接处、基板、基板连接处、底板等）都可以用相应的RC单元表示，直观地反映热量从芯片传递至散热片各层材料的属性，如下图：

图片来源：Mentor T3ster 宣传材料

上边的图很直观，每层材料对应相应的RC模型，合起来可以用结构函数来表示，至于结构函数怎么获得，后边再说

第二种：局部网络热路模型，Foster模型

不像Cauer模型，RC节点不再与导热材料一一对应，网络节点没有任何物理意义，上图模型中的系数很容易从散热曲线中获得，因此，该模型往往用于解析计算模块的温度分布，热阻抗曲线方程可以近似写为：

规格书中瞬态热阻抗即是这个模型，回过头来看，下图瞬态热阻抗曲线是不是就很容易看明白了

模块的散热特性

借用赛米控电力电子的一张图

无底板模块每层的散热和典型的曲线

一维模型中，我们直观的理解，较薄的铜层有更低的热阻，但是在三维模型中，热流还有横向传递，横向扩散能力较弱的话，热阻反而比较大

例如，在上图中，芯片热量沿箭头方向传输，每一层横向传导能力越强，该层热流路径越宽广，相应有效热阻越低（这么解释稍微有点糙），因此呈现上图的散热模型就不难理解了

为了使热量通过导热性不好的层，必须建立一个相应高的势能差(温差)。这就要求它上面必须是导热能力好的层，以增加交叉传导

瞬态热阻抗测试

我们知道，热阻公式为Rth=△T/P

瞬态热阻抗可以通过温度的变化过程，用特殊的算法计算出来

因此，测量热阻之前，必须想办法高速采集芯片结温

测量结温的方法：

·        热电偶：芯片表贴热电偶改变功率器件的封装结构，与正常工作状态存在差异，尤其是芯片面积相对较小时，这种影响显得更大；

·        红外照射：需要特殊处理的黑模块，以便在工作时直接探测芯片温度，同样改变模块结构；

·        电学测试：小电流下，结电压与结温呈线性关系（半导体固有属性），该测试方法精度高，重复性好

电学方法测试芯片结温原理

参考标准：JESD51-1

根据芯片温度变化测量瞬态热阻：

推荐T3ster测试方法：

参考标准

JEDEC系列标准

小结

以上热阻的测试配合PCmin（分钟级功率循环试验）可分析散热材料及焊接层的加速老化降级，同时热阻的测试是进行热设计时候重要的参考依据，上文介绍只是引子，简单探讨热阻是什么并且怎么测试，至于怎么设计，各显神通咯

参考：

电子器件瞬态热测试解决方案  罗晓川

如何理解IGBT的热阻和热阻抗  叶常生

及其它相关资料