試論功率器件封裝熱阻的仿真與測試

孟浪

摘 要：半導體功率器件發展趨勢逐漸向大電流高壓電方向，但由于熱功耗的持續增加，導致器件會結溫過高，并且降低相關功能的可靠性，使得功率器件在應用時受到阻礙。所以依據器具的外部散熱條件及其封裝熱阻，需要進行熱設計保證器件在工作時結溫保持在一個合適的范圍。由此，封裝熱阻是一個功率器重要的熱參數，受到生產商和應用者極大的關注。

關鍵詞：功率器件;封裝熱阻;仿真技術;熱阻測試

一、引言

隨著半導體功率器件的發展趨勢，封裝熱阻也逐漸被重視起來。衡量半導體功率器件自身的散熱能力的強弱中最重要的參數就是熱阻。為了比較不同產家產品的熱性能，可以通過熱阻來快速預測其結溫速度，以此開展可靠性設計，并將其作為一個重要的參數為進一步仿真提供數據分析。器件的結溫直接關系到各個電學參數的展現，所以若是能預測并且降低器具的結溫對于大功率器件有著極大的助力。

二、功率器件概述與分類

所謂半導體功率器件，是一種屬于電子電力范疇的電子電力技術的基礎。而電子電力技術則是可以有效使用半導體功率器件、應用并設計電路理論以及分析方法，以此來完成可以高效變換并且控制電能的一種技術[1]。

按照不一樣的分類標準，功率器件也有著不同的分類結果。

（一）以功率范圍分類

以控制功率范圍來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，它的應用范疇主要用于發電裝置和電器轉動中;大功率器件的功率范圍則高達1GW以上，其應用主要是采用在高壓直流輸電設備上。

（二）以控制特性分類

通過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。不控型器件通過正向導通來反向阻斷，比如二極管;半控型器件有正負極和柵極，不可通過柵極來關斷，一般是金閘管和通過其派生的器件;而全控型器件則是可以通過柵極來控制開管，諸如功率雙擊結型晶體管和絕緣柵雙擊晶體管等。

（三）以載流子性質分類

通過載流子性質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導電，比如雙極結型晶體管等;單極型器具只能在電子和空穴中選擇其一來參與導電，如靜電感應晶體管等;混合型器具顧名思義是指可選其一導電，亦可同時導電，比如電子加強注入型的絕緣柵雙擊晶體管等。

三、仿真技術

信息時代的仿真技術應用廣泛，常用于研究開發各種工業產品，而目前各種計算微電子封裝的方法以及計算機軟件大量產出，選擇常用于微電子封裝的有限元法，建立一個有限元模型，并用此來模擬封裝器件的制造過程以及工藝環境，并持續與實際數據分析比較，可以明顯有效地降低日后的成本和時間[2]。

（一）有限元法基本原理

有限元法首先是分割連續的帶求解區域，將其離散成以有限個單元來組成的集合。然后建立線性插值函數，來求解原函數里的無窮多自由度問題，并將此轉換成有限度自由度問題。最后依據其能量方程或者加權產量方程來建立一個代數方程組，就可通過此來獲得有限元法的數值解。

（二）有限元仿真步驟

第一步，對實物結構進行分析;第二步，以此建立一個集合模型;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，為其劃分網絡;第六步，定義載荷以及邊界的條件;第七步，為選項求解并設定結果;第八步，后處理和分析第二、三、四、五、六步驟。

通過上述步驟的表述可以看出，有限元分析的整個過程中，各個步驟環環相扣，每一個步驟都會對結果造成影響。而相對于一個復雜的有限元模型而言，需要對其進行多次反復的建模、計算并分析和比較結果來修正模型，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。對于已經知曉實驗見過的模型，同樣需要反復修正來趨近甚至達到理想結果，而對于并未得出結果的模型，則是通過套用已經得知結果的模型去驗證并預測未知結果。

四、熱阻測試和結果

（一）結殼熱阻值測試公式

熱阻值能夠推算出器具的工作溫度，其結殼熱阻值的公式是：[半導體結溫（TJ）-參考點溫度（TX）]/半導體熱功耗（PH）=結殼熱阻值，通過實際情況的需要來選擇不同的參考點，便可定義不同的熱阻[3]。

（二）測試方法與結果

根據熱電偶法和瞬態雙界面法可分為此類兩種方法測試，基于熱電偶法的測試方法首先是效驗結溫，通過選擇合適的溫度敏感性參數來獲取其與溫度的關系，然后測量結溫，最后進行殼溫測試;基于瞬態雙界面法進行的測試方法前兩個步驟與上一方法相同，然后需要實時地收集結溫根據時間產生的變化，再依據瞬態熱阻抗公式把降溫曲線轉換成熱阻抗曲線，接著確定其結殼熱阻，最后得到結構函數。

評價結構函數通常會遇到一定的困難，首先結構函數對瞬態熱阻抗曲線的數據輸入噪聲尤為敏感，噪聲常常是虛假的尖峰，但并不對應實際器件封裝的物理結構;然后是加熱電流切換到測試電流的瞬間會產生無法避免的電子噪聲，需要對電子噪聲產生的時間之后的數據來反推預測的切換瞬間的電壓;對分離點的確定也比較困難[4]，因此，工程師需要多次測量并且積累許多不同因素產生的測試結果所吸收到的經驗來確定更為詳細的測試規范，以此保證此后測試的重復性以及準確性。

五、結束語

依據熱阻實測分析得出，環境溫度穩定性影響結溫校準，因此需要建立一個可控制升降溫和恒溫的工藝環境，由于測試核心的結構函數具有許多不確定性，諸如數據的噪聲等，需要工程師多次分析判斷結構函數，才可以獲取到重復性和校準性結果較好的結果;研究發現自行搭建熱阻測試系統具有可行性，但依然存在著不確定因素，像電學參數設置和對測試環境的要求等，因此，還是需要進一步的對此進行大量的測試才能獲取重復性較好的測試結果。

參考文獻：

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

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

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

[4]蘇金鑫. 熱阻參數在功率器件封裝中的重要應用[J]. 知識經濟， 2011（20）：78-78.