大功率整流器件的熱阻測試

戴立新

（黃山市七七七電子有限公司 安徽省黃山市 245600）

現代電力電子技術對整流器件的大功率、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不斷提高，在長期運行時會出現過熱，繼而導致芯片及附件溫度過高而損壞，這將降低電源系統的工作穩定性，最終造成系統失效而帶來嚴重隱患[1-2]。因此，不論是從多層壓接式整流芯片的內部結構出發還是增強外圍封裝散熱能力，都是為了降低器件熱阻可以選擇的有效途徑。石墨烯作為優異的熱傳導材料[3-4]，用于大功率整流器件，將熱量從芯片表面迅速擴散，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行熱阻測試，并根據生產工藝步驟建立器件的仿真結構，分析大功率整流芯片內部結構對熱阻的影響，以及高導熱石墨烯材料對器件的散熱增強作用。

圖1：2kV 整流芯片實物圖

1 整流芯片的熱阻測試

壓接式整流芯片結構包括單晶硅片、鉬片、鋁箔和鋁膜，相比于傳統的焊接式芯片，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的2kV 壓接式芯片產品作為研究對象，產品實物圖如圖1所示。

對被測樣品尺寸進行測量，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 型熱流法導熱儀對芯片熱阻進行測試，將被測芯片表面旋涂少量導熱硅脂，用來充當熱界面材料，降低由于空氣間隙帶來的熱阻。將被測樣品放于冷、熱兩個接觸面之間，當冷、熱兩極加載不同溫度時，被測芯片上下表面出現溫差。通過熱流值、冷熱面溫度值等來推導出被測芯片的熱阻，計算公式如（1）所示。

表1：熱阻測試結果

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。通過試驗測試，得到測試結果如表1所示。

通過測試結果可以發現，被測芯片的熱阻不是很理想，說明在器件的生產過程中，各層材料之間的接觸熱阻是難以避免的，而且接觸熱阻對總熱阻影響很大。在這種情況下，大功率整流芯片工作時產生的熱量如果不能及時散出去，會使結溫升高至極限參數以外，造成器件熱失效。

圖4：石墨烯增強散熱后的模型溫度分布圖

2 整流芯片的仿真建模

根據壓接式整流芯片的內部結構，從下到上依次為鉬片、鋁箔、單晶硅片、鋁膜，構建如圖2 (a)所示的仿真模型，通過導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。先根據生產工藝參數建立芯片內部各層結構，再對各部分附以相應材料，設置熱源、熱通量等邊界條件的初始值。

在芯片的正面設置點熱源模擬實際工作產生的熱點，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，說明芯片的厚度對器件總體熱阻影響很大。以半徑55 mm 的模型結構為例，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 整流芯片的散熱優化

為了增強局部熱點的有效散熱能力，在壓接式整流芯片的上表面采用高熱導率的石墨烯薄膜進行散熱優化，本文采用60 μm 厚，橫向熱導率為1200 W/m·K 的石墨烯薄膜，得到優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率可以使芯片上的熱點熱量迅速在面內擴散，再通過垂直方向散發到環境中去，溫度越高的器件結構增強散熱的效果越明顯，從而有效改善了局部溫度過高帶來的可靠性問題。

4 結論

本文對大功率多層壓接式整流芯片的熱阻進行了測試與仿真分析，并將高導熱材料石墨烯應用于整流芯片表面，通過有限元仿真分析得出石墨烯的應用降低了整流芯片的峰值溫度，具有良好的散熱效果。隨著半導體器件的功率等級逐漸升高，熱管理問題成為影響其發展的關鍵性因素。石墨烯材料是一種有應用前景的封裝散熱材料，但由于器件工藝復雜，石墨烯薄膜的制備和轉移也有一定難度，具體的工藝操作方案及生產制造技術有待進一步解決。