功率半导体热阻（Rth）基础知识的详解；

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功率半导体热设计是实现IGBT、碳化硅SiC高功率密度的基础，只有掌握功率半导体的热设计基础知识，才能完成精确热设计，提高功率器件的利用率，降低系统成本，并保证系统的可靠性。

一、功率半导体热阻的概述

1、热阻定义

功率半导的热阻，英文全称：Thermal Resistance，简称：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，定义为：器件在稳定热传导状态下，单位热流量（功率损耗）所引起的两端温度差，本质反映热量从器件发热核心（如芯片结区）传递到散热终点（如外壳、散热器或环境）过程中受到的阻碍程度。

热阻（Rθ）定义为传热过程中温度差与热流量的比值，公式为：

其中：

Rθ：热阻（单位：℃/W 或 K/W，两者数值等价，因温度差单位一致）；

ΔT：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，要想更好地理解热阻（Rth），还可通过类比电学中的欧姆定律能更好地理解热阻。在电学中，电压差驱动电流，电阻阻碍电流；在热学中，温差驱动热流，热阻阻碍热流。电流为电荷的流动速率，热功率为热量的流动速率。

2、功率半导体的散热

功率半导体器件在开通和关断过程中和导通电流时会产生损耗，损失的能量会转化为热能，表现为半导体器件发热，器件的发热会造成器件各点温度的升高。半导体器件的温度升高，取决于产生热量多少（损耗）和散热效率（散热通路的热阻）。

IGBT模块的风冷散热是典型的散热系统，同时包含了散热的形式三种:热传导、热辐射和热对流。

3、功率半导体的热传导

热传导是指固体或液体之间因为温度差而产生热量传递或扩散的现象。热传导的特性可以类比为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，热能工程中的受热体就像是电气工程中的负载，电气工程有电阻电容元件，热能工程也有类似属性的元件，称为热阻和热容。

所以，热阻（Rth）是一个在热传导中至关重要的概念，它描述了物质对热传导的阻力，为传热过程中温度差与热流量比值。这一参数在电子元器件设计、散热方案设计等多个领域都扮演着重要角色。

Rth=热阻

P（Pth,C）=功率（热流量）

ΔT=温差

这个定义，就与电路中的欧姆定律一致：Rel. = U/I

不同介质(固体、液体或气体)导热能力不同，以热的形式传输热能的能力定义为导热系数λ。因为导热系数是介质的特性，所以某种材料的导热系数可以看作是一个常数。导热系数又称热导率，单位是W/(m·K)。下表给出了一些材料的λ值。

二、功率半导体热阻（Rth）的分类

1、结壳热阻（Rth(j-c)）

指芯片的结（热源）到外壳之间的热阻，是功率半导体器件规格书中常标注的参数之一，反映了热量从芯片结区传导到外壳的难易程度。

2、结环热阻（Rth(j-a)）

指芯片结到周围环境空气的热阻，它综合考虑了从结到外壳，再从外壳到环境空气的整个热传递路径的阻力。

3、其他热阻（Rth）

还有结到电路板的热阻（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，其单位是K/W：

Rth = d/λA

金属铝和铜有很好的导热性，常用于制作功率半导体的散热器，但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了：

热阻（Rth）是由材料导热系数，厚度，面积决定的，一个实际带铜基板的IGBT功率模块的热阻分布如下图所示，芯片焊料导热性并不好，导热系数30W/(m·K)左右，但很薄，厚度往往只有0.1mm，所以在功率模块中热阻只占4%。而DCB中的陶瓷导热系数25 W/(m·K)，与焊料差得不多，但厚度有0.38mm，几乎是焊接层的4倍，所以热阻占比高达28%。

我们在定义模块壳到散热器的热阻（Rth）时，假设导热硅脂的导热系数是1W/(m·K)，厚度为30-100um，在芯片的散热通路中，其占比高达37%，是最大的部分。所以用更好的导热材料缓解散热瓶颈，提高功率密度的重要举措，这为什么英飞凌提供预涂导热材料的模块。

同样我们也可以仿真分析一下，芯片厚度对热阻的影响。

为了简化问题，我们用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架构成，仿真条件：假设硅芯片的面积5.1mm² ，硅的芯片厚度分别为350um和110um，芯片损耗 170W。

可以直观地看清硅导热性不是特别好，相同条件下，350um的芯片要比110um芯片温度高15度，原因是芯片的厚度造成的热阻增大。

但器件的耐压与漂移区的长度和电阻率有关，太薄的晶圆意味着更低的耐压，太厚漂移区漂移区电阻也更大，热阻也增加，英飞凌开发IGBT薄晶圆技术就是一种完美的设计。

功率开关器件的耐压与其漂移区的长度和电阻率有关，而MOSFET是单极性功率开关器件，其通态电阻又直接决定于漂移区的长度和电阻率，与其制造材料临界击穿电场强度的立方成反比。因为4H-SiC有10倍于Si的临界击穿电场强度，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，从而显著降低了正向压降以及导通损耗，同时减小热阻（Rth）。

做一个paper design例子，如果要获得5000V的耐压，使用掺杂为2.5*1013/cm3的衬底材料，Si基功率器件需要漂移层厚度0.5mm，单位面积电阻为10Ωcm2；SiC MOSFET使用掺杂为2.0*1015/cm3的漂移层，需要的厚度仅有0.05mm，单位面积电阻仅为0.02Ωcm2。

同时碳化硅的导热系数是490W/(m·K)，所以碳化硅芯片可以实现很高的功率密度，就是说，芯片面积很小，也可以保证芯片的散热。

SiC的禁带宽度3.23ev，相应的本征温度可高达800摄氏度。如果能够突破材料及封装的温度瓶颈，则功率器件的工作温度将会提升到一个全新的高度。

四、功率半导体热阻（Rth）的影响因素

不知道大家在做功率半导体封装热设计的过程中有没有思考过一个问题，就是封装热阻到底由什么决定？其影响因素有哪些？举个直观的例子，就是同样一个模块，我里面放一颗芯片，和放多颗芯片，测出来的封装热阻会是一样的吗？下面，来说一下我对这个问题的认识。

下面这幅图给的是功率模块典型结构函数曲线图。相信做封装的都很熟悉，横坐标对应热阻，纵坐标对应热容，曲线对应的是由芯片至外部环境的热阻抗分布情况，根据曲线斜率变化情况可以将其与对应散热路径材料进行匹配。

因为结构曲线是有明确物理意义的，每层材料对应一个热阻抗，因此，最直观的认知就是每一种封装对应的结构函数曲线是唯一的。

但是，在实际封装设计过程中，我发现了一个与之“相矛盾”的点，就是上面提到的，同样一个模块，我里面放一颗芯片，和放多颗芯片，测出来的封装热阻会是一样的吗？

因为按照封装热阻定义公式：封装结-壳/流热阻等于=芯片结温减去壳体/流体温度再除以总的发热功耗。

这样就会出现一个问题，同样一个封装内部，我里面放一颗芯片和放两颗芯片，测出来的芯片温升可能是一样的，但是模块的功耗却增加了一倍，这样得到的封装热阻也会差一倍。这两种情况下我得到了两个封装热阻，那怎么和热阻抗曲线对应起来呢？哪个是对的呢？明明是同样一种封装结构，不就和上面的每一种封装对应的结构函数曲线是唯一的相违背了吗。

下面上结论：模块热阻不仅与封装结构、材料有关，也与内部芯片数量有关。同一种封装结构，里面放一颗芯片或者多颗芯片，测出来的结构函数曲线也是不一样的，即热阻抗也是有区别的。

原因是什么呢，我一句话概述一下：不同芯片数量，实际利用的散热路径面积也是不一样的。看看大家能不能get到这个点。

针对结构函数曲线，每一段热阻抗曲线对应散热路径每一层材料热阻，改成更为对应散热路径每一层材料实际使用的散热面积热阻，这样每一层的热阻抗就会有区别，就不难理解为什么对应同一种封装结构，其结构函数曲线也会不一样。因此，即使同一种封装结构，当芯片数量不一样（也包括芯片间距）或者芯片大小不一样，测出来的热阻抗曲线可能也会有区别。是唯一又不是唯一，唯一的是每个模块对应的结构函数曲线是唯一的，不唯一的是同一种封装结构对应的结构函数曲线不一定是一样的。

简单来讲：影响功率半导体热阻（Rth）的核心因素就是：器件本身特性、封装工艺与材料和系统散热设计三个方面。

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，电气损耗（导通损耗与开关损耗）转化为热量集中在器件结区，若热量不能及时散发，结温会超限，严重影响器件可靠性。热阻（Rth）越小，相同热源功率下器件温升越小，散热能力越强。

2、指导热设计

热阻（Rth）是实现电气损耗与热管理分析互通的基础指标，是功率半导体器件规格书中常标注的参数之一。准确掌握热阻（Rth）指标，能为器件选型、散热方案设计及其安全裕量评估提供关键依据。工程师可根据热阻（Rth）数据进行结温预测、热设计验证与寿命分析，及早识别潜在热瓶颈，提升系统设计的可靠性与稳定性。

六、功率半导体热阻（Rth）的测试方法

1、稳态法

最基础的测试方法，通过在器件上施加恒定功率，直到温度达到稳定状态后，测量结温和参考点温度（如外壳或环境温度），再按公式Rth=(Tj-Tref)/P计算热阻。测试要求温度达到热平衡，热流路径稳定，但测试时间长。参考标准有《JESD51 - 2》、《MIL - STD - 883 Method 1012.1》。

2、瞬态法

通过测量器件在施加功率变化时的温度响应来计算热阻。该方法基于热阻与热容逐级累加生成累积结构函数，对累积结构函数进行微分得到微分结构函数，其峰值反映材料的边界。

七、总结一下

功率半导体热阻（Rth）作为表征器件热传递阻碍程度的核心热性能参数，其本质是热量从芯片结区（发热核心）向散热终点传导过程中，单位功率损耗所引发的温度差量化体现，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）大小与结温升高幅度正相关，进而从根本上左右器件工作稳定性（避免热失控导致的性能漂移）、使用寿命（结温每升高 10℃寿命通常减半）及极限功耗承载能力（低热阻器件可在更高功率密度下安全运行），是功率半导体核心性能的底层约束因素。

从全流程应用价值来看，它贯穿功率半导体研发（材料选型、结构设计的核心依据）、封装工艺（互联方式、基板材料、封装结构优化的关键导向）、系统应用（器件选型匹配场景需求、散热方案设计针对性突破瓶颈、可靠性评估量化落地）全链条，既是连接器件本身与系统散热的关键桥梁，也是保障功率电子系统高效、稳定、长寿命运行的核心指标与决策依据。

参考資料

[1] JESD51-1:1995, Integrated Circuit ThermalMeasurement Method- Electrical Test Method

[2] JESD51-14:2010, Transient Dual InterfaceTest Methodfor the Measurement of the Thermal Resistance Junctionto Case ofSemiconductor Devices with Heat FlowThrough a Single Path

[3] MIL-STD-883E,METHOD 1012.1, ThermalCharacteristics, 4 November 1980

审核编辑 黄宇