功率MOSFET封裝熱阻測試及其優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉志紅 莫亭亭

摘要：功率半導(dǎo)體器件是集成電路的重要組成部分，是電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)。本文對功率MOSFET的熱阻進(jìn)行了測試，得到了SOP8封裝的功率MOSFET器件的結(jié)殼熱阻和結(jié)到環(huán)境熱阻。使用有限元熱仿真分析，分析了影響SOP8熱阻的因素，在分析結(jié)果基礎(chǔ)上改善了SOP8封裝的功率MOSFET器件的熱阻性能。為后續(xù)芯片封裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考。

關(guān)鍵詞：封裝熱阻；功率器件；有限元仿真；熱阻測試；結(jié)溫

Abstract：Power semiconductor device is an important part of integrated circuit，and it is the foundation of power electronic technology. I In this paper，the thermal resistance of power MOSFET is tested，and get the thermal resistance of junction to case and junction to ambient for SOP package. Finite element thermal simulation was used to analyze the factors affecting SOP8 thermal resistance. Based on the analysis，thermal resistance of SOP8 packaged MOSFET was improved. It provides a reference for the subsequent optimization of chip packaging structure.

KEY WORDS：thermal resistance of package，power device，finite element simulation，thermal resistance test，junction temperature

1引言

自從進(jìn)入20世紀(jì)以來，人類正式邁入信息時(shí)代。信息時(shí)代離不開芯片，而制作芯片的材料硅，正是作為信息時(shí)代的特征性材料。目前世界工業(yè)材料產(chǎn)品產(chǎn)值種，以硅為原料的電子工業(yè)產(chǎn)值已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了以鋼為原料的產(chǎn)品產(chǎn)值。以硅為代表的正是半導(dǎo)體芯片元器件，這主要包括邏輯器件、存儲(chǔ)器件、功率半導(dǎo)體器件和微處理器件等在內(nèi)，這些產(chǎn)品伴隨著人類生活無處不見，比如用于電話、電視、電動(dòng)玩具、電冰箱、機(jī)器人、電腦、汽車等各行各業(yè)的領(lǐng)域，并以飛速發(fā)展擴(kuò)展到其他領(lǐng)域。

功率半導(dǎo)體器件按照控制特性可分為三種：1）不控型器件，顧名思義，就是不能用控制信號(hào)來控制器件開關(guān)的功率半導(dǎo)體，比如常見的正向?qū)ǚ聪蜃钄嗟墓β识?jí)管（POWER DIODE）；2）半控型器件，這種器件可以通過控制信號(hào)來控制半導(dǎo)體器件的開，但不能控制半導(dǎo)體器件關(guān)閉的功率半導(dǎo)體器件，主要包括晶閘管（Thyristor）及其衍生器件；3）全控型器件，也就是可以利用控制信號(hào)來控制半導(dǎo)體器件的關(guān)閉，也可以控制半導(dǎo)體器件的開通半導(dǎo)體器件，主要包括雙極型晶體管（BJT）、絕緣柵雙極晶體管（IGBT）、金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）等。

隨著功率器件的功率越來越大，散熱問題越來越成為功率器件的核心問題，而功率器件的散熱原理，可以分為傳導(dǎo)、對流和輻射三種，因此本文根據(jù)JESD51-1，對MOSFET SOP8進(jìn)行了熱阻的測試，并用有限元方法進(jìn)行了仿真，進(jìn)行了對比。為后續(xù)封裝結(jié)構(gòu)提供參考意義。

2 功率MOSFET器件的熱阻定義

熱阻表示熱量在傳導(dǎo)過程中受到的阻力大小。熱阻越小，表明熱量越容易傳導(dǎo)出去，封裝的散熱性能越好。反之，熱阻越大，表明熱量在傳導(dǎo)過程中受到的阻力越大，封裝的散熱性能越差。熱阻是功率MOSFET器件中的重要參數(shù)，也是衡量器件散熱能力的關(guān)鍵指標(biāo)。封裝設(shè)計(jì)希望熱阻越低越好。

3.2 測試結(jié)果

使用Analysis Tech Phase12熱阻分析儀對封裝的功率MOSFET器件進(jìn)行熱阻測試，功率MOSFET器件的型號(hào)與封裝形式如表1所示。

3.3 SOP8測試結(jié)果

通過對SOP8 UT4407進(jìn)行升溫和降溫測試，得到其結(jié)殼熱阻隨時(shí)間的變化曲線見圖2所示，K隨結(jié)殼熱阻變化關(guān)系見圖3所示。圖2左邊為升溫曲線，右邊為降溫曲線。從圖中可知，其最大結(jié)殼熱阻為30.96℃/W。

得到SOP8 UT4407封裝結(jié)環(huán)境熱阻曲線見圖4所示。從圖中可知，其最大結(jié)環(huán)境熱阻為50.5℃/W。

4 SOP8封裝熱阻的有限元仿真

4.1 分析方法

通過大型有限元分析軟件ANSYS，對SOP-8封裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行了熱力學(xué)仿真。一般來說，有限元模擬的一般步驟和思路見圖5所示。

4.2 結(jié)殼熱阻模型建立

芯片尺寸為1960μm×1500μm×200μm，粘接劑層高30μm。SOP8結(jié)構(gòu)尺寸示意圖見圖6所示。具體尺寸見表2所示。通過Ansys建模，得到幾何模型見圖7所示。模型中包括芯片、引腳、框架、粘接劑等材料模型。框架、芯片及粘接劑模型見圖8所示。

對幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用的單元類型為SOLID90。SOLID90是一個(gè)二階3維20節(jié)點(diǎn)固體熱分析單元，該單元每個(gè)節(jié)點(diǎn)有一個(gè)溫度自由度，適用于三維穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)熱分析。為了減少單元數(shù)量、節(jié)省計(jì)算時(shí)間，本文采用混合網(wǎng)格法進(jìn)行網(wǎng)格劃分，即芯片、粘接劑、框架結(jié)構(gòu)和焊腳采用六面體網(wǎng)格劃分，封裝材料采用四面體網(wǎng)格劃分，所有部件共用節(jié)點(diǎn)。

得到總體網(wǎng)格模型見圖9所示，其中框架、芯片、粘接劑網(wǎng)格模型見圖10所示?？偟木W(wǎng)格數(shù)量為43293，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為90066。

整個(gè)SOP8封裝模型各材料及材料屬性見表3所示。

4.3 載荷與邊界條件

對模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析，這也就是說，分析得到的結(jié)果是芯片穩(wěn)定運(yùn)行后的溫度分布情況。故施加的載荷主要為芯片發(fā)熱功率，在有限元分析模型中施加體熱生成率，即單位體積單位時(shí)間內(nèi)通過的熱量，計(jì)算計(jì)算公式如下：

Hgen=P/V：即芯片發(fā)熱功率除以芯片體積，本文取功率為0.06w。

在ansys熱分析中，共有3類邊界條件，分別為：

1.第一類邊界條件：給定指定邊界的溫度分布，直接給定邊界條件上的溫度值；

2.第二類邊界條件：施加指定邊界的熱流密度，就是給出熱量傳遞量；

3.第三類邊界條件：給定邊界面與流體間的對流換熱系數(shù)和流體的溫度，也稱為對流換熱邊界條件。

本文對裸露在空氣的表面施加第三類邊界條件，給定空氣環(huán)境溫度為25度，與空氣進(jìn)行自然對流換熱，設(shè)定對流換熱系數(shù)為10W/m2/℃。

圖11給出了環(huán)境溫度示意圖，12給出了對流換熱系數(shù)示意圖。

4.4 結(jié)殼熱阻仿真結(jié)果與分析

通過ANSYS有限元分析，得到SOP8封裝結(jié)構(gòu)整體模型穩(wěn)態(tài)溫度分布云圖。其中芯片、粘結(jié)層和框架溫度分布見圖13所示，整體模型溫度分布見圖14所示。

從圖中可知，芯片最高溫度為99.29℃，塑封最低溫度為97.65℃。故SOP8封裝熱阻為：（99.29-97.65）/0.06=27.3（K/W）。

5 結(jié)論

本文闡述了熱阻測試對功率MOSFET品質(zhì)的必要性和重要意義。根據(jù)JEDEC51-1和JEDEC51-2標(biāo)準(zhǔn)，對SOP8封裝的功率MOSFET進(jìn)行了熱阻測量。使用有限元軟件Ansys，對SOP8封裝的功率MOSFET器件結(jié)殼熱阻和結(jié)到環(huán)境熱阻進(jìn)行建模和仿真。通過對測試結(jié)果，仿真結(jié)果和產(chǎn)品規(guī)格書熱阻標(biāo)稱值的對比，可以看出熱阻誤差在合理范圍以內(nèi)，驗(yàn)證了仿真結(jié)果和測試系統(tǒng)的有效性。

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作者簡介：劉志紅，上海交通大學(xué)維納電子學(xué)院碩士研究生。

（作者單位：上海交通大學(xué)微納電子學(xué)院）