試論功率器件封裝熱阻的仿真與測(cè)試

孟浪

摘 要：半導(dǎo)體功率器件發(fā)展趨勢(shì)逐漸向大電流高壓電方向，但由于熱功耗的持續(xù)增加，導(dǎo)致器件會(huì)結(jié)溫過(guò)高，并且降低相關(guān)功能的可靠性，使得功率器件在應(yīng)用時(shí)受到阻礙。所以依據(jù)器具的外部散熱條件及其封裝熱阻，需要進(jìn)行熱設(shè)計(jì)保證器件在工作時(shí)結(jié)溫保持在一個(gè)合適的范圍。由此，封裝熱阻是一個(gè)功率器重要的熱參數(shù)，受到生產(chǎn)商和應(yīng)用者極大的關(guān)注。

關(guān)鍵詞：功率器件;封裝熱阻;仿真技術(shù);熱阻測(cè)試

一、引言

隨著半導(dǎo)體功率器件的發(fā)展趨勢(shì)，封裝熱阻也逐漸被重視起來(lái)。衡量半導(dǎo)體功率器件自身的散熱能力的強(qiáng)弱中最重要的參數(shù)就是熱阻。為了比較不同產(chǎn)家產(chǎn)品的熱性能，可以通過(guò)熱阻來(lái)快速預(yù)測(cè)其結(jié)溫速度，以此開(kāi)展可靠性設(shè)計(jì)，并將其作為一個(gè)重要的參數(shù)為進(jìn)一步仿真提供數(shù)據(jù)分析。器件的結(jié)溫直接關(guān)系到各個(gè)電學(xué)參數(shù)的展現(xiàn)，所以若是能預(yù)測(cè)并且降低器具的結(jié)溫對(duì)于大功率器件有著極大的助力。

二、功率器件概述與分類

所謂半導(dǎo)體功率器件，是一種屬于電子電力范疇的電子電力技術(shù)的基礎(chǔ)。而電子電力技術(shù)則是可以有效使用半導(dǎo)體功率器件、應(yīng)用并設(shè)計(jì)電路理論以及分析方法，以此來(lái)完成可以高效變換并且控制電能的一種技術(shù)[1]。

按照不一樣的分類標(biāo)準(zhǔn)，功率器件也有著不同的分類結(jié)果。

（一）以功率范圍分類

以控制功率范圍來(lái)分類的器具可分為小功率器件、中等功率器件和大功率器件三種。

小功率器件，顧名思義是功率小的器件，其功率范圍在幾瓦特到幾千瓦之間，一般屬于家用電器范疇;中等功率器件的功率范圍在十千瓦到幾兆瓦間，它的應(yīng)用范疇主要用于發(fā)電裝置和電器轉(zhuǎn)動(dòng)中;大功率器件的功率范圍則高達(dá)1GW以上，其應(yīng)用主要是采用在高壓直流輸電設(shè)備上。

（二）以控制特性分類

通過(guò)控制器具特性的不同可以將器具分為不控型器件、半控型器件和全控型器件三類。不控型器件通過(guò)正向?qū)▉?lái)反向阻斷，比如二極管;半控型器件有正負(fù)極和柵極，不可通過(guò)柵極來(lái)關(guān)斷，一般是金閘管和通過(guò)其派生的器件;而全控型器件則是可以通過(guò)柵極來(lái)控制開(kāi)管，諸如功率雙擊結(jié)型晶體管和絕緣柵雙擊晶體管等。

（三）以載流子性質(zhì)分類

通過(guò)載流子性質(zhì)的不同可將其分為雙極型器件、單極型器件和混合型器件三種。

雙極型器具可以使電子和空穴同時(shí)導(dǎo)電，比如雙極結(jié)型晶體管等;單極型器具只能在電子和空穴中選擇其一來(lái)參與導(dǎo)電，如靜電感應(yīng)晶體管等;混合型器具顧名思義是指可選其一導(dǎo)電，亦可同時(shí)導(dǎo)電，比如電子加強(qiáng)注入型的絕緣柵雙擊晶體管等。

三、仿真技術(shù)

信息時(shí)代的仿真技術(shù)應(yīng)用廣泛，常用于研究開(kāi)發(fā)各種工業(yè)產(chǎn)品，而目前各種計(jì)算微電子封裝的方法以及計(jì)算機(jī)軟件大量產(chǎn)出，選擇常用于微電子封裝的有限元法，建立一個(gè)有限元模型，并用此來(lái)模擬封裝器件的制造過(guò)程以及工藝環(huán)境，并持續(xù)與實(shí)際數(shù)據(jù)分析比較，可以明顯有效地降低日后的成本和時(shí)間[2]。

（一）有限元法基本原理

有限元法首先是分割連續(xù)的帶求解區(qū)域，將其離散成以有限個(gè)單元來(lái)組成的集合。然后建立線性插值函數(shù)，來(lái)求解原函數(shù)里的無(wú)窮多自由度問(wèn)題，并將此轉(zhuǎn)換成有限度自由度問(wèn)題。最后依據(jù)其能量方程或者加權(quán)產(chǎn)量方程來(lái)建立一個(gè)代數(shù)方程組，就可通過(guò)此來(lái)獲得有限元法的數(shù)值解。

（二）有限元仿真步驟

第一步，對(duì)實(shí)物結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析;第二步，以此建立一個(gè)集合模型;第三步，確定其分析的類型;第四步，定義材料屬性并合理分配;第五步，為其劃分網(wǎng)絡(luò);第六步，定義載荷以及邊界的條件;第七步，為選項(xiàng)求解并設(shè)定結(jié)果;第八步，后處理和分析第二、三、四、五、六步驟。

通過(guò)上述步驟的表述可以看出，有限元分析的整個(gè)過(guò)程中，各個(gè)步驟環(huán)環(huán)相扣，每一個(gè)步驟都會(huì)對(duì)結(jié)果造成影響。而相對(duì)于一個(gè)復(fù)雜的有限元模型而言，需要對(duì)其進(jìn)行多次反復(fù)的建模、計(jì)算并分析和比較結(jié)果來(lái)修正模型，去排除其中遇到的各種不確定因素，保證模型逐漸趨近于合理的條件。對(duì)于已經(jīng)知曉實(shí)驗(yàn)見(jiàn)過(guò)的模型，同樣需要反復(fù)修正來(lái)趨近甚至達(dá)到理想結(jié)果，而對(duì)于并未得出結(jié)果的模型，則是通過(guò)套用已經(jīng)得知結(jié)果的模型去驗(yàn)證并預(yù)測(cè)未知結(jié)果。

四、熱阻測(cè)試和結(jié)果

（一）結(jié)殼熱阻值測(cè)試公式

熱阻值能夠推算出器具的工作溫度，其結(jié)殼熱阻值的公式是：[半導(dǎo)體結(jié)溫（TJ）-參考點(diǎn)溫度（TX）]/半導(dǎo)體熱功耗（PH）=結(jié)殼熱阻值，通過(guò)實(shí)際情況的需要來(lái)選擇不同的參考點(diǎn)，便可定義不同的熱阻[3]。

（二）測(cè)試方法與結(jié)果

根據(jù)熱電偶法和瞬態(tài)雙界面法可分為此類兩種方法測(cè)試，基于熱電偶法的測(cè)試方法首先是效驗(yàn)結(jié)溫，通過(guò)選擇合適的溫度敏感性參數(shù)來(lái)獲取其與溫度的關(guān)系，然后測(cè)量結(jié)溫，最后進(jìn)行殼溫測(cè)試;基于瞬態(tài)雙界面法進(jìn)行的測(cè)試方法前兩個(gè)步驟與上一方法相同，然后需要實(shí)時(shí)地收集結(jié)溫根據(jù)時(shí)間產(chǎn)生的變化，再依據(jù)瞬態(tài)熱阻抗公式把降溫曲線轉(zhuǎn)換成熱阻抗曲線，接著確定其結(jié)殼熱阻，最后得到結(jié)構(gòu)函數(shù)。

評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)函數(shù)通常會(huì)遇到一定的困難，首先結(jié)構(gòu)函數(shù)對(duì)瞬態(tài)熱阻抗曲線的數(shù)據(jù)輸入噪聲尤為敏感，噪聲常常是虛假的尖峰，但并不對(duì)應(yīng)實(shí)際器件封裝的物理結(jié)構(gòu);然后是加熱電流切換到測(cè)試電流的瞬間會(huì)產(chǎn)生無(wú)法避免的電子噪聲，需要對(duì)電子噪聲產(chǎn)生的時(shí)間之后的數(shù)據(jù)來(lái)反推預(yù)測(cè)的切換瞬間的電壓;對(duì)分離點(diǎn)的確定也比較困難[4]，因此，工程師需要多次測(cè)量并且積累許多不同因素產(chǎn)生的測(cè)試結(jié)果所吸收到的經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定更為詳細(xì)的測(cè)試規(guī)范，以此保證此后測(cè)試的重復(fù)性以及準(zhǔn)確性。

五、結(jié)束語(yǔ)

依據(jù)熱阻實(shí)測(cè)分析得出，環(huán)境溫度穩(wěn)定性影響結(jié)溫校準(zhǔn)，因此需要建立一個(gè)可控制升降溫和恒溫的工藝環(huán)境，由于測(cè)試核心的結(jié)構(gòu)函數(shù)具有許多不確定性，諸如數(shù)據(jù)的噪聲等，需要工程師多次分析判斷結(jié)構(gòu)函數(shù)，才可以獲取到重復(fù)性和校準(zhǔn)性結(jié)果較好的結(jié)果;研究發(fā)現(xiàn)自行搭建熱阻測(cè)試系統(tǒng)具有可行性，但依然存在著不確定因素，像電學(xué)參數(shù)設(shè)置和對(duì)測(cè)試環(huán)境的要求等，因此，還是需要進(jìn)一步的對(duì)此進(jìn)行大量的測(cè)試才能獲取重復(fù)性較好的測(cè)試結(jié)果。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙鶴然， 康錫娥， 馬艷艷. 提高器件熱阻仿真值與測(cè)試結(jié)果契合度的方法[J]. 微處理機(jī)， 2017， 38（5）：27-31.

[2]滕為榮， 居長(zhǎng)朝. 功率器件熱阻的測(cè)量研究分析[J]. 電子與封裝， 2011， 11（10）：18-22.

[3]康錫娥. 功率MOSFET器件穩(wěn)態(tài)熱阻測(cè)試原理及影響因素[J]. 電子與封裝， 2015（6）：16-18.

[4]蘇金鑫. 熱阻參數(shù)在功率器件封裝中的重要應(yīng)用[J]. 知識(shí)經(jīng)濟(jì)， 2011（20）：78-78.