材料的热参数及设计相关

一、半导体常用材料的常温下热特性数据（按照材料的导热率排列）

消音工程上路床医用脚轮

材料	热导率w/cm*℃	比热cal/g*℃	密度g/cm3	热膨胀系数ppm/℃	熔点℃	介电常数k	电阻率uΩ*cm	热扩散率cm2/s	温升率cm2℃/wsec1/2
金刚石	10~20
银	4.17	0.056	10.5	18.9			1.59	1.63	0.314
铜	4.0	0.09	无水硫铝酸钙8.85	17.0	1083		1.67	1.19	0.274
金-硅共熔	2.94
金	2.94	0.03	19.3	14.2			2.35	1.21
铜铁合金194	2.63
氧化铍99%	2.35	0.31	2.8	6.0	2450	6.7		0.86
碳化硅	0.6~2.7			0.7			42
铝	2.17	0.22	2.7	24			2.65	0.94	0.42
铜铁合金195	1.96
氮化铝	0.6~1.7	0.17	3.25	3.7		8.5
钨	1.7			4.0			5.65
钼	1.5	0.066	10.2	5.0	2610		5.0	0.51	0.5
石墨	1.4		2.04	4.5
镍	0.9	0.11	8.9	13.3			6.85	0.22	0.51
硅	0.84~1.2	0.18	2.4	2.5	1420	11.8		0.96
冷轧钢(10#钢)	0.76			11.4~14.7
磷铜	0.71			1.8			11.5
锗Ge	0.7			5.7			16.0
铁	0.7
铅-5%锡焊料	0.63			29
普通钢	0.59
金-20%Sn	0.57
钛	0.55	0.03	16.6		3000		42	0.24
银-玻璃(芯片粘接)	0.54
砷化镓GaAs	0.5			5.8		10.9
金-12%Ge	0.44
氧化铝99.5%	0.37	0.21		8.0		10
氧化铝96%	0.35	0.21	3.7	6.0	2035	9.5		0.95
氧化铝94%	0.28	0.21		6.0		7.5
氧化铝共烧	0.15
焊锡(Pb60%Sn40%)	0.5	0.04	8.7		361			0.26
焊锡(Pb95%Sn5%)	0.36
铅	0.34
镓Ga	0.33
金-3%硅	0.27			12.3
铟In	0.23
厚膜介质	0.22
可伐	0.19	0.11	8.2	5.1			4.9
42#Ni42% Fe和金	0.147
Ni-Cr合金	0.13	0.1	8.25	1.8	1350		10.8	0.035
不锈钢	0.11		8.45	1.7
云母	0.1
充氧化铍环氧	0.035
水	0.06
充氧化铍RTV	0.026								RTV室温硫化硅橡胶
（微晶）玻璃	0.016	0.2	2.2	9.9		5~9		0.0075
a-ga材料	热导率w/cm*℃	比热cal/g*℃	密度g/cm3	热膨胀系数ppm/℃	熔点℃	介电常数k	电阻率uΩ*cm	热扩散率cm2/s	备注
二氧化硅	0.01			0.5		3.9
石英	0.01		支承辊
电阻浆料	0.01	0.22	2.7		1350			0.004
环氧掺银	0.016	0.17	3.5	53				0.002
环氧树脂	0.004	0.2	2.0	15		5.0
聚酰亚胺	0.004
聚四氟乙烯	0.004		2.1	11			1020
凡士林（润滑剂）	0.0019
氢气	0.0018
酚醛树脂	0.0016	0.24	1.62		1635	6.0		0.001
矿物油	0.0015
氦气	0.0015
氟利昂113	0.0007
氮气	0.000261
空气	0.00026	0.24	0.0012					0.22
氩气	0.00018

注：

1、1w/cm*℃=1w/cm*k=2.54w/in*℃=100w/m*k 1cal=4.2 J (1卡=4.2焦耳) 空气的比热是1J/g*℃

热膨胀系数1ppm/℃=1k-1

2、电阻率在10-3～102uΩ*cm的是导体，在102～1012uΩ*cm的是半导体，1012～1025uΩ*cm的是导体。

3、介电常数是表征某种物质为介质的电容器的电容与以真空为介质的同样尺寸的电容器的电容之比，真空的介电

值为1。上表参数在50hz的测试条件下的测量结果。

4、上表的数值引用多本相关书籍，数值上会略有偏差。

二、热设计相关参数的定义及公式

a) 热阻R：表示单位面积A、单位厚度L的材料阻止热量Q流动的能力，R=（T1-T2）/Q=L/K*A。

b) 热阻抗Z：表征界面材料导热性能的好坏，为其导热面积与接触变面间的接触热阻的乘积，Z=R*A

c) 导热率K：表示在单位长度上产生1℃的温度差所需要的热功率，是材料的固有参数。(Z*K=L)

三、芯片-导热材料-散热器一维传导方式的计算：

a) 这种方式主要考核在散热器足够的情况下，导热材料的传热能力，存在一维热传导模型，在达到热平衡后，遵循傅立叶传热定律，Q=K*A*(T1-T2)/L。

b) 总热阻R=芯片热阻+导热材料热阻+散热器热阻，芯片的热阻和散热器热阻已知，而导

热片一般给出热阻抗数值Z和传热面的面积A和导热片的接触比率B，因此R=R1+Z/A/B+R3。

四、功率管用氮化铝陶瓷绝缘的结构

功率管的散热结构采用将管芯烧焊到导热性能好的铜传热器上，铜传热器烧焊到金属化了的电绝缘的99%氧化铝陶瓷衬底上，该衬底再烧焊到底座上(图6．18)．装架按照自下而上的顺序用铅锡合金焊片将底座、氧化铝陶瓷衬底、铜传热器、管芯装在一起，并在氢气炉中一次进行烧焊．对于功率管大面积低热阻连接来说，用焊料连接是较好的方法．

功率管直接安装在氧化铝衬底上所产生的热阻很高，如将管芯直接安装在10×20×1毫米3的氧化铝衬底时，耗散功率仅达几百毫瓦，如在氧化铝陶瓷衬底下面安装散热底座，这时耗散功率可以达到几瓦．如采用图6．18结构，在管芯和氧化铝陶瓷衬底之间加一层铜传热器，能使稳态热阻和瞬态热阻同时下降，这样结构的耗散功率可以达到20~30瓦．这里铜传热器具有扩大热源面积的作用，使热源产生的热量迅速而均匀地向外扩散．它改进了功率管在稳定状态下的传热效果．同时，铜传热器的热容可阻止功率管因过载而使结温迅速上升，因此，提高了瞬变功率容量，增强功率管的二次击穿耐力．

由于氧化铝陶瓷成本低、导热性较好和便于采用钼锰法在氧化铝陶瓷上制成牢固的金属化层，所以这种结构在功率Ic中被广泛地采用．如果将目前实际使用的氧化铝陶瓷衬底的厚度磨得更薄，那么此种结构的热阻还会明显减小，耗散功率将增加．氧化铝陶瓷衬底的厚度从机械强度和金属化渗入观点来看，其厚度极限约100微米，目前常用的是0.3~0.5毫米厚。

从以上对几种功率旨的散热结构分析中，前几种功率管结构的实测热阻值都比理论计算值大，这是由于：

(1)实际实验中焊料片、传热器、陶瓷衬底、金属底座的平整度和光洁度较差．

(2)对于功率管结构中层与层之间的大面积连接来说，焊料焊接虽是较好的方法，但由于采用铅系合金焊料，它的流动性较差。在实际接触中易造成沾润不良(焊料流向一侧，不均匀；出现空洞；出现蜂窝状)，使层与层之间的有效接触面积并非与理论计算的一样达到100％，因此，实测的热阻值偏高。

(3)与陶瓷金属化层的质量有关．

(4)与清洁度有关．为了获得低热阻的散热结构，在操作前应对管芯、焊料片、传热器、底座等进行严格的清洁处理，在工序流动的过程中同样也要保持清洁。

本文发布于:2024-09-25 19:23:54，感谢您对本站的认可！

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