功率MOSFET封装热阻测试及其优化设计

刘志红 莫亭亭

摘要：功率半导体器件是集成电路的重要组成部分，是电力电子技术的基础。本文对功率MOSFET的热阻进行了测试，得到了SOP8封装的功率MOSFET器件的结壳热阻和结到环境热阻。使用有限元热仿真分析，分析了影响SOP8热阻的因素，在分析结果基础上改善了SOP8封装的功率MOSFET器件的热阻性能。为后续芯片封装结构优化提供参考。

关键词：封装热阻；功率器件；有限元仿真；热阻测试；结温

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

自从进入20世纪以来，人类正式迈入信息时代。信息时代离不开芯片，而制作芯片的材料硅，正是作为信息时代的特征性材料。目前世界工业材料产品产值种，以硅为原料的电子工业产值已经远远超过了以钢为原料的产品产值。以硅为代表的正是半导体芯片元器件，这主要包括逻辑器件、存储器件、功率半导体器件和微处理器件等在内，这些产品伴随着人类生活无处不见，比如用于电话、电视、电动玩具、电冰箱、机器人、电脑、汽车等各行各业的领域，并以飞速发展扩展到其他领域。

功率半导体器件按照控制特性可分为三种：1）不控型器件，顾名思义，就是不能用控制信号来控制器件开关的功率半导体，比如常见的正向导通反向阻斷的功率二级管（POWER DIODE）；2）半控型器件，这种器件可以通过控制信号来控制半导体器件的开，但不能控制半导体器件关闭的功率半导体器件，主要包括晶闸管（Thyristor）及其衍生器件；3）全控型器件，也就是可以利用控制信号来控制半导体器件的关闭，也可以控制半导体器件的开通半导体器件，主要包括双极型晶体管（BJT）、绝缘栅双极晶体管（IGBT）、金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）等。

随着功率器件的功率越来越大，散热问题越来越成为功率器件的核心问题，而功率器件的散热原理，可以分为传导、对流和辐射三种，因此本文根据JESD51-1，对MOSFET SOP8进行了热阻的测试，并用有限元方法进行了仿真，进行了对比。为后续封装结构提供参考意义。

2 功率MOSFET器件的热阻定义

热阻表示热量在传导过程中受到的阻力大小。热阻越小，表明热量越容易传导出去，封装的散热性能越好。反之，热阻越大，表明热量在传导过程中受到的阻力越大，封装的散热性能越差。热阻是功率MOSFET器件中的重要参数，也是衡量器件散热能力的关键指标。封装设计希望热阻越低越好。

3.2 测试结果

使用Analysis Tech Phase12热阻分析仪对封装的功率MOSFET器件进行热阻测试，功率MOSFET器件的型号与封装形式如表1所示。

3.3 SOP8测试结果

通过对SOP8 UT4407进行升温和降温测试，得到其结壳热阻随时间的变化曲线见图2所示，K随结壳热阻变化关系见图3所示。图2左边为升温曲线，右边为降温曲线。从图中可知，其最大结壳热阻为30.96℃/W。

得到SOP8 UT4407封装结环境热阻曲线见图4所示。从图中可知，其最大结环境热阻为50.5℃/W。

4 SOP8封装热阻的有限元仿真

4.1 分析方法

通过大型有限元分析软件ANSYS，对SOP-8封装结构进行了热力学仿真。一般来说，有限元模拟的一般步骤和思路见图5所示。

4.2 结壳热阻模型建立

芯片尺寸为1960μm×1500μm×200μm，粘接剂层高30μm。SOP8结构尺寸示意图见图6所示。具体尺寸见表2所示。通过Ansys建模，得到几何模型见图7所示。模型中包括芯片、引脚、框架、粘接剂等材料模型。框架、芯片及粘接剂模型见图8所示。

对几何模型进行网格划分，采用的单元类型为SOLID90。SOLID90是一个二阶3维20节点固体热分析单元，该单元每个节点有一个温度自由度，适用于三维稳态和瞬态热分析。为了减少单元数量、节省计算时间，本文采用混合网格法进行网格划分，即芯片、粘接剂、框架结构和焊脚采用六面体网格划分，封装材料采用四面体网格划分，所有部件共用节点。

得到总体网格模型见图9所示，其中框架、芯片、粘接剂网格模型见图10所示。总的网格数量为43293，节点总数为90066。

整个SOP8封装模型各材料及材料属性见表3所示。

4.3 载荷与边界条件

对模型进行稳态分析，这也就是说，分析得到的结果是芯片稳定运行后的温度分布情况。故施加的载荷主要为芯片发热功率，在有限元分析模型中施加体热生成率，即单位体积单位时间内通过的热量，计算计算公式如下：

Hgen=P/V：即芯片发热功率除以芯片体积，本文取功率为0.06w。

在ansys热分析中，共有3类边界条件，分别为：

1.第一类边界条件：给定指定边界的温度分布，直接给定边界条件上的温度值；

2.第二类边界条件：施加指定边界的热流密度，就是给出热量传递量；

3.第三类边界条件：给定边界面与流体间的对流换热系数和流体的温度，也称为对流换热边界条件。

本文对裸露在空气的表面施加第三类边界条件，给定空气环境温度为25度，与空气进行自然对流换热，设定对流换热系数为10W/m2/℃。

图11给出了环境温度示意图，12给出了对流换热系数示意图。

4.4 结壳热阻仿真结果与分析

通过ANSYS有限元分析，得到SOP8封装结构整体模型稳态温度分布云图。其中芯片、粘结层和框架温度分布见图13所示，整体模型温度分布见图14所示。

从图中可知，芯片最高温度为99.29℃，塑封最低温度为97.65℃。故SOP8封装热阻为：（99.29-97.65）/0.06=27.3（K/W）。

5 结论

本文阐述了热阻测试对功率MOSFET品质的必要性和重要意義。根据JEDEC51-1和JEDEC51-2标准，对SOP8封装的功率MOSFET进行了热阻测量。使用有限元软件Ansys，对SOP8封装的功率MOSFET器件结壳热阻和结到环境热阻进行建模和仿真。通过对测试结果，仿真结果和产品规格书热阻标称值的对比，可以看出热阻误差在合理范围以内，验证了仿真结果和测试系统的有效性。

参考文献

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[2]陶文铨，计算传热学的近现代紧张，科学出版社，2000

[3] ANSYS热分析教程及实例解析

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[7] 邱海平.电子元器件及仪器的热控制技术【M】.北京：电子工业出版社，1991.

作者简介：刘志红，上海交通大学维纳电子学院硕士研究生。

（作者单位：上海交通大学微纳电子学院）