半導(dǎo)體芯片學(xué)習(xí)筆記-熱特性01

功率半導(dǎo)體行業(yè)的本質(zhì)是能源行業(yè)，熱特性是功率半導(dǎo)體的靈魂，因為這個行業(yè)從始至終都只追求一個目標(biāo)：用最小的熱損耗達到最高效的電能轉(zhuǎn)換。從這個角度講，工程師熟悉熱學(xué)的意義就如同遠古人類學(xué)會用火，是一種思維上的質(zhì)變。

先從最簡單的開始，溫度。

假設(shè)有一根金屬棒子，棒子左邊溫度是T1（假設(shè)100度好了），右邊溫度是T2（假設(shè)50度），會發(fā)生什么？

生活經(jīng)驗告訴我們，這根金屬棒的左邊溫度會逐漸降低，右邊會逐漸升高，最終，整個棒子達到同樣的溫度，法國數(shù)學(xué)家傅里葉對此開創(chuàng)了熱的解析理論。

回到上圖，非常容易理解，由于溫度差ΔT=（T1-T2）＞0的存在，熱量會由高溫物體自發(fā)轉(zhuǎn)移到低溫物體。如何衡量這個傳熱的快慢呢？仿造電路中的電阻，我們提出熱阻的概念。

我們把電路中的電壓V看成溫度T（電壓代表電勢能，溫度代表內(nèi)能），那么溫度差ΔT就是電壓降ΔV，熱流P（每秒傳遞的熱量）就可以類比為電流I，通過歐姆定律我們知道，壓降ΔV除以電流I就是電阻R=ΔV/I，那么，相應(yīng)地，溫度差ΔT除以熱流P就是熱阻Rth（th代表thermal）=ΔT/P=（T1-T2）/P

我們知道溫度的單位是開爾文K或者攝氏度℃，熱流是每秒傳遞的熱量就是焦耳/秒=功率瓦特W，因此熱阻Rth的單位就是度/瓦（K/W或者℃/W）

到這里我們就知道了熱阻的計算定義：每瓦熱流下的溫度變化，很拗口，為了方便理解，我舉個例子，假設(shè)某IGBT模塊某個橋臂芯片到冷卻水的熱阻是0.12K/W，假設(shè)芯片的發(fā)熱功率是恒定500W，冷卻水水溫是恒定50℃，那么芯片穩(wěn)定運行時的溫度是多少？

這個例子里面，發(fā)熱功率是500W，我們忽略掉空氣的導(dǎo)熱，那么這500W會全部都被冷卻水帶走，也就是說，從芯片到冷卻水的熱流P=500W，又知道了芯片到冷卻水的熱阻Rth=0.12K/W，通過Rth=ΔT/P，

我們得到芯片和冷卻水的溫度差ΔT=P×Rth=500W×0.12K/W=60K

那么芯片溫度Tj=冷卻水溫度Tf+ΔT=50+60=110℃。

以上就是用熱流計算來定義的熱阻。

這時有的人會問了，不對啊，熱阻應(yīng)該是一個物理特性啊，應(yīng)該是和材料本身有關(guān)系啊，我想從材料的物理特性本身來定義熱阻，可不可以？

可以。

想想電阻在材料上的物理學(xué)定義：

電阻R=電阻率ρ×長度L/截面A=（1/電導(dǎo)率s）×長度L/截面A

同樣，熱阻Rth=熱阻率ρth×長度L/截面A=（1/熱導(dǎo)率λ）×長度L/截面A

其中電阻率和電導(dǎo)率互為倒數(shù)，熱阻率和熱導(dǎo)率互為倒數(shù)

為啥如此相象？原因是電和熱的本質(zhì)是一樣的，都是微觀粒子的運動

那我們看下熱阻Rth=ρth×L/A=ΔT/P

推出熱阻率ρth=ΔT×A/（P×L）=ΔT/（L×P/A）=（ΔT/L）÷（P/A），那么熱導(dǎo)率λ=1/ρth=（P/A）÷（ΔT/L）

我們把熱流P除以傳熱截面的面積A的比值稱為熱流密度（也成為熱通量，單位是W/m2），物理意義即為每平方米上通過的熱量功率。我們把單位長度上的溫度差稱為溫度梯度dT/dL（單位是℃/m），表征的是單位長度上的溫度變化。

那么熱導(dǎo)率就是熱量功率/溫度梯度，

單位是（W/m2）÷（℃/m）=W/（m×℃）

我們就得到了熱導(dǎo)率的定義：材料在單位溫度梯度下通過其梯度方向的熱流密度，聽起來不像是人話。。。

說大白話就是，冬天同樣溫度下的鐵棍子比木棍子摸起來更冷，那是因為鐵的熱導(dǎo)率更高，單位時間內(nèi)能帶走的熱量（熱流密度）更多。