大功率整流器件的熱阻測(cè)試

戴立新

（黃山市七七七電子有限公司 安徽省黃山市 245600）

現(xiàn)代電力電子技術(shù)對(duì)整流器件的大功率、小型化以及高可靠性不斷提出更高的需求，隨著整流器件的電壓和電流等級(jí)不斷提高，在長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)會(huì)出現(xiàn)過熱，繼而導(dǎo)致芯片及附件溫度過高而損壞，這將降低電源系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性，最終造成系統(tǒng)失效而帶來嚴(yán)重隱患[1-2]。因此，不論是從多層壓接式整流芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)出發(fā)還是增強(qiáng)外圍封裝散熱能力，都是為了降低器件熱阻可以選擇的有效途徑。石墨烯作為優(yōu)異的熱傳導(dǎo)材料[3-4]，用于大功率整流器件，將熱量從芯片表面迅速擴(kuò)散，既可以降低器件峰值溫度，又可以提升器件的溫度均勻性，是有希望的下一代整流器件封裝散熱材料。

本文采用大功率多層壓接式整流芯片進(jìn)行熱阻測(cè)試，并根據(jù)生產(chǎn)工藝步驟建立器件的仿真結(jié)構(gòu)，分析大功率整流芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)熱阻的影響，以及高導(dǎo)熱石墨烯材料對(duì)器件的散熱增強(qiáng)作用。

圖1：2kV 整流芯片實(shí)物圖

1 整流芯片的熱阻測(cè)試

壓接式整流芯片結(jié)構(gòu)包括單晶硅片、鉬片、鋁箔和鋁膜，相比于傳統(tǒng)的焊接式芯片，可以解決大功率整流芯片的熱疲勞問題，本文分別選取不同電流等級(jí)的2kV 壓接式芯片產(chǎn)品作為研究對(duì)象，產(chǎn)品實(shí)物圖如圖1所示。

對(duì)被測(cè)樣品尺寸進(jìn)行測(cè)量，分別得到芯片半徑35 mm、45 mm和55 mm，厚度分別為1.7 mm、2.12 mm 和2.52 mm。采用DRLIII 型熱流法導(dǎo)熱儀對(duì)芯片熱阻進(jìn)行測(cè)試，將被測(cè)芯片表面旋涂少量導(dǎo)熱硅脂，用來充當(dāng)熱界面材料，降低由于空氣間隙帶來的熱阻。將被測(cè)樣品放于冷、熱兩個(gè)接觸面之間，當(dāng)冷、熱兩極加載不同溫度時(shí)，被測(cè)芯片上下表面出現(xiàn)溫差。通過熱流值、冷熱面溫度值等來推導(dǎo)出被測(cè)芯片的熱阻，計(jì)算公式如（1）所示。

表1：熱阻測(cè)試結(jié)果

圖2：整流芯片仿真模型

圖3：整流芯片仿真模型溫度分布圖

其中，S為通過熱流面積，TH-TC為冷熱面溫度差，Q為平均熱流。通過試驗(yàn)測(cè)試，得到測(cè)試結(jié)果如表1所示。

通過測(cè)試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，被測(cè)芯片的熱阻不是很理想，說明在器件的生產(chǎn)過程中，各層材料之間的接觸熱阻是難以避免的，而且接觸熱阻對(duì)總熱阻影響很大。在這種情況下，大功率整流芯片工作時(shí)產(chǎn)生的熱量如果不能及時(shí)散出去，會(huì)使結(jié)溫升高至極限參數(shù)以外，造成器件熱失效。

圖4：石墨烯增強(qiáng)散熱后的模型溫度分布圖

2 整流芯片的仿真建模

根據(jù)壓接式整流芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從下到上依次為鉬片、鋁箔、單晶硅片、鋁膜，構(gòu)建如圖2 (a)所示的仿真模型，通過導(dǎo)熱硅脂在芯片正反面加裝翅片散熱器，建立仿真模型如圖2 (b)所示。先根據(jù)生產(chǎn)工藝參數(shù)建立芯片內(nèi)部各層結(jié)構(gòu)，再對(duì)各部分附以相應(yīng)材料，設(shè)置熱源、熱通量等邊界條件的初始值。

在芯片的正面設(shè)置點(diǎn)熱源模擬實(shí)際工作產(chǎn)生的熱點(diǎn)，加載功率后分別得到器件峰值溫度為92.6℃、94.7℃和98.4℃，尺寸越大的芯片峰值溫度越高，說明芯片的厚度對(duì)器件總體熱阻影響很大。以半徑55 mm 的模型結(jié)構(gòu)為例，完整模型的溫度分布如圖3 (a)所示，圖3 (b)為芯片的等值溫度分布圖。

3 整流芯片的散熱優(yōu)化

為了增強(qiáng)局部熱點(diǎn)的有效散熱能力，在壓接式整流芯片的上表面采用高熱導(dǎo)率的石墨烯薄膜進(jìn)行散熱優(yōu)化，本文采用60 μm 厚，橫向熱導(dǎo)率為1200 W/m·K 的石墨烯薄膜，得到優(yōu)化后的模型溫度分布，如圖4所示。半徑35 mm 的模型峰值溫度從原來的92.6℃降低為89.9℃，半徑45 mm 的模型峰值溫度從原來的94.7℃降低為91.3℃，半徑55 mm 的模型峰值溫度從原來的98.4℃降低為93.6℃，得到了近5℃的降溫效果。說明石墨烯薄膜的橫向高熱導(dǎo)率可以使芯片上的熱點(diǎn)熱量迅速在面內(nèi)擴(kuò)散，再通過垂直方向散發(fā)到環(huán)境中去，溫度越高的器件結(jié)構(gòu)增強(qiáng)散熱的效果越明顯，從而有效改善了局部溫度過高帶來的可靠性問題。

4 結(jié)論

本文對(duì)大功率多層壓接式整流芯片的熱阻進(jìn)行了測(cè)試與仿真分析，并將高導(dǎo)熱材料石墨烯應(yīng)用于整流芯片表面，通過有限元仿真分析得出石墨烯的應(yīng)用降低了整流芯片的峰值溫度，具有良好的散熱效果。隨著半導(dǎo)體器件的功率等級(jí)逐漸升高，熱管理問題成為影響其發(fā)展的關(guān)鍵性因素。石墨烯材料是一種有應(yīng)用前景的封裝散熱材料，但由于器件工藝復(fù)雜，石墨烯薄膜的制備和轉(zhuǎn)移也有一定難度，具體的工藝操作方案及生產(chǎn)制造技術(shù)有待進(jìn)一步解決。