半导体芯片学习笔记-热特性01

功率半导体行业的本质是能源行业，热特性是功率半导体的灵魂，因为这个行业从始至终都只追求一个目标：用最小的热损耗达到最高效的电能转换。从这个角度讲，工程师熟悉热学的意义就如同远古人类学会用火，是一种思维上的质变。

先从最简单的开始，温度。

假设有一根金属棒子，棒子左边温度是T1（假设100度好了），右边温度是T2（假设50度），会发生什么？

生活经验告诉我们，这根金属棒的左边温度会逐渐降低，右边会逐渐升高，最终，整个棒子达到同样的温度，法国数学家傅里叶对此开创了热的解析理论。

回到上图，非常容易理解，由于温度差ΔT=（T1-T2）＞0的存在，热量会由高温物体自发转移到低温物体。如何衡量这个传热的快慢呢？仿造电路中的电阻，我们提出热阻的概念。

我们把电路中的电压V看成温度T（电压代表电势能，温度代表内能），那么温度差ΔT就是电压降ΔV，热流P（每秒传递的热量）就可以类比为电流I，通过欧姆定律我们知道，压降ΔV除以电流I就是电阻R=ΔV/I，那么，相应地，温度差ΔT除以热流P就是热阻Rth（th代表thermal）=ΔT/P=（T1-T2）/P

我们知道温度的单位是开尔文K或者摄氏度℃，热流是每秒传递的热量就是焦耳/秒=功率瓦特W，因此热阻Rth的单位就是度/瓦（K/W或者℃/W）

到这里我们就知道了热阻的计算定义：每瓦热流下的温度变化，很拗口，为了方便理解，我举个例子，假设某IGBT模块某个桥臂芯片到冷却水的热阻是0.12K/W，假设芯片的发热功率是恒定500W，冷却水水温是恒定50℃，那么芯片稳定运行时的温度是多少？

这个例子里面，发热功率是500W，我们忽略掉空气的导热，那么这500W会全部都被冷却水带走，也就是说，从芯片到冷却水的热流P=500W，又知道了芯片到冷却水的热阻Rth=0.12K/W，通过Rth=ΔT/P，

我们得到芯片和冷却水的温度差ΔT=P×Rth=500W×0.12K/W=60K

那么芯片温度Tj=冷却水温度Tf+ΔT=50+60=110℃。

以上就是用热流计算来定义的热阻。

这时有的人会问了，不对啊，热阻应该是一个物理特性啊，应该是和材料本身有关系啊，我想从材料的物理特性本身来定义热阻，可不可以？

可以。

想想电阻在材料上的物理学定义：

电阻R=电阻率ρ×长度L/截面A=（1/电导率s）×长度L/截面A

同样，热阻Rth=热阻率ρth×长度L/截面A=（1/热导率λ）×长度L/截面A

其中电阻率和电导率互为倒数，热阻率和热导率互为倒数

为啥如此相象？原因是电和热的本质是一样的，都是微观粒子的运动

那我们看下热阻Rth=ρth×L/A=ΔT/P

推出热阻率ρth=ΔT×A/（P×L）=ΔT/（L×P/A）=（ΔT/L）÷（P/A），那么热导率λ=1/ρth=（P/A）÷（ΔT/L）

我们把热流P除以传热截面的面积A的比值称为热流密度（也成为热通量，单位是W/m2），物理意义即为每平方米上通过的热量功率。我们把单位长度上的温度差称为温度梯度dT/dL（单位是℃/m），表征的是单位长度上的温度变化。

那么热导率就是热量功率/温度梯度，

单位是（W/m2）÷（℃/m）=W/（m×℃）

我们就得到了热导率的定义：材料在单位温度梯度下通过其梯度方向的热流密度，听起来不像是人话。。。

说大白话就是，冬天同样温度下的铁棍子比木棍子摸起来更冷，那是因为铁的热导率更高，单位时间内能带走的热量（热流密度）更多。