Published
先进电子解决方案
产品性能参数表是设计工程师了解电源模块整体性能的主要信息来源。在本博文中，我们将特别关注电源模块的热性能。However, a data sheet is a difficult document to comprehend. 其中列出了大量数值和图表，但通常在解释各参数的详细背景资料上有所欠缺。因此，设计工程师必须先了解确定数据资料表中数值的具体测试方法。一方面，不同的供应商可能采用不同的测试方法，因此很难对数值进行比较。另一方面，一种测试方法无法涵盖所有可能的应用或工作条件，其数值也会随着用户采用的具体应用而发生变化。
热阻值是从半导体芯片到外壳的还是到周边环境的？
在典型电力电子应用中，热阻可以有两大类：从半导体芯片到散热底板的热传导和从散热底板到周边环境的热对流。
A data sheet of a power module should always indicate a value for thermal resistance. 电源模块的参数表应始终列出热阻值，但对于大多数有或没有底板的模块而言，其热阻通常是从半导体芯片到外壳（Rth,j-c）的，因为模块的制造商无法保证从半导体芯片到周边环境的完整热通道数值。首先，制造商不清楚终端用户要如何将模块安装在散热底板上，因此无法确定外壳到散热底板之间的热阻（Rth,c-h）。其次，制造商不清楚散热底板的尺寸和几何形状。Third, he does not know which coolant will be used and under which conditions. So he cannot indicate a value for the thermal convection between the heat sink and the ambient (Rth,h-a). 但是，模块制造商应说明数据资料表中热阻值所用的测试方法。若数据资料表中没有参考，你可以在应用说明书中找到此类资料。
有散热底板的模块则需另说。在这种情况下，模块制造商可以确定在特定测试条件下采用特定冷却剂的半导体芯片到环境的热阻值。对于液冷模块，至少应给出冷却剂的性质、冷却剂温度和流量等测试方法相关信息。Simulation results with SiC chips on a standard test layout have been plotted in the diagram below. They clearly show that thermal resistance depends on the nature of the coolant and of the coolant temperature.
一般来说，半导体芯片-外壳热阻最低的模块的半导体芯片-周边环境热阻值通常不会最低。此外，在提高对流值的情况下，传导值会降低。更好的芯片到周边环境的传热会降低芯片下方材料的热水平扩散效应。
热阻取决于材料的固有性质和几何形状
热阻的单位为K/W。热阻的大小取决于功率模块所用材料的热导率（λ）、各材料层厚度（d）和热传导的面积（A）：薄层高热导率材料有利于实现低热阻，而面积越大，热阻越低。Thin layers of materials with high thermal conductivity are favorable to achieve a low thermal resistance. A larger area means lower resistance. 但由于热扩散效应的存在，芯片面积翻倍并不会使热阻减半。
Design engineers should always check for which area the thermal resistance value is given in the data sheet. This value may be given for one chip or for one switch. 但数据资料表可能并不会说明测试所用的芯片面积和一个模块所用的芯片数量。此外，不同模块的芯片面积和每个交换器的芯片数量也不尽相同。因此，除非你拆解模块并进行某种逆向工程，否则很难通过一个热性能比较不同模块之间的热性能。
有的时候，如在技术论文或文章中，热阻也是指单位面积的热阻，其单位为K.m²/W。在这种情况下，可以从理论上比较不同模块中所用的材料，但这并不能告诉你不同模块在实际应用中的表现。
模块性能与成本设计
电源模块设计的宗旨在于以最低的成本提供最高的电源输出功率。For a given semi-conductor technology in operation at a specified voltage, higher electrical output power is achieved with higher load current. The result is an increase of the waste heat. 因此，芯片一直在较高温度下工作，最终会导致可靠性问题。
在一个交换器采用多芯片并行结构时可以避免这种可靠性问题，从而达到所需的电源输出功率。Here again, doubling the chip area does not lead to an increase by 50% of the output power. This can be explained by effects like thermal coupling between chips and limited heat spreading. 在设计中，相对于基板面积的总芯片面积以及相对于其它芯片和基板边界的芯片位置都是影响模块热性能的重要考虑因素。此外，多芯片并行结构对成本有极大影响，使用更大的基板或采用性能更高的更薄材料的基板会更加便宜。
总而言之，想要良好地对应用中所选的功率模块的热性能进行评估，你所需要的不仅仅是一份数据资料表。模块制造商会为其客户和终端用户提供帮助（如以应用说明书的形式等）。作为金属化陶瓷基板的制造商和发展合作伙伴，罗杰斯电力电子解决方案部门的专家也随时可以提供帮助。您有任何设计问题么？或者，您在适用于贵方应用的基板或散热器选择方面需要帮助么？如果您有任何问题，请与我们联系。
相关产品：
curamik Ceramic Substrates, curamik Cooling Solutions
标签：
Olivier's Twist 博客, 燃油汽车与电动/混合动力汽车, 高可靠性, 通用工业, 风能和太阳能, 有线基础设施
发布于 2018 年 11 月 1 日
