试论功率器件封装热阻的仿真与测试

孟浪

摘 要：半导体功率器件发展趋势逐渐向大电流高压电方向，但由于热功耗的持续增加，导致器件会结温过高，并且降低相关功能的可靠性，使得功率器件在应用时受到阻碍。所以依据器具的外部散热条件及其封装热阻，需要进行热设计保证器件在工作时结温保持在一个合适的范围。由此，封装热阻是一个功率器重要的热参数，受到生产商和应用者极大的关注。

关键词：功率器件;封装热阻;仿真技术;热阻测试

一、引言

随着半导体功率器件的发展趋势，封装热阻也逐渐被重视起来。衡量半导体功率器件自身的散热能力的强弱中最重要的参数就是热阻。为了比较不同产家产品的热性能，可以通过热阻来快速预测其结温速度，以此开展可靠性设计，并将其作为一个重要的参数为进一步仿真提供数据分析。器件的结温直接关系到各个电学参数的展现，所以若是能预测并且降低器具的结温对于大功率器件有着极大的助力。

二、功率器件概述与分类

所谓半导体功率器件，是一种属于电子电力范畴的电子电力技术的基础。而电子电力技术则是可以有效使用半导体功率器件、应用并设计电路理论以及分析方法，以此来完成可以高效变换并且控制电能的一种技术[1]。

按照不一样的分类标准，功率器件也有著不同的分类结果。

（一）以功率范围分类

以控制功率范围来分类的器具可分为小功率器件、中等功率器件和大功率器件三种。

小功率器件，顾名思义是功率小的器件，其功率范围在几瓦特到几千瓦之间，一般属于家用电器范畴;中等功率器件的功率范围在十千瓦到几兆瓦间，它的应用范畴主要用于发电装置和电器转动中;大功率器件的功率范围则高达1GW以上，其应用主要是采用在高压直流输电设备上。

（二）以控制特性分类

通过控制器具特性的不同可以将器具分为不控型器件、半控型器件和全控型器件三类。不控型器件通过正向导通来反向阻断，比如二极管;半控型器件有正负极和栅极，不可通过栅极来关断，一般是金闸管和通过其派生的器件;而全控型器件则是可以通过栅极来控制开管，诸如功率双击结型晶体管和绝缘栅双击晶体管等。

（三）以载流子性质分类

通过载流子性质的不同可将其分为双极型器件、单极型器件和混合型器件三种。

双极型器具可以使电子和空穴同时导电，比如双极结型晶体管等;单极型器具只能在电子和空穴中选择其一来参与导电，如静电感应晶体管等;混合型器具顾名思义是指可选其一导电，亦可同时导电，比如电子加强注入型的绝缘栅双击晶体管等。

三、仿真技术

信息时代的仿真技术应用广泛，常用于研究开发各种工业产品，而目前各种计算微电子封装的方法以及计算机软件大量产出，选择常用于微电子封装的有限元法，建立一个有限元模型，并用此来模拟封装器件的制造过程以及工艺环境，并持续与实际数据分析比较，可以明显有效地降低日后的成本和时间[2]。

（一）有限元法基本原理

有限元法首先是分割连续的带求解区域，将其离散成以有限个单元来组成的集合。然后建立线性插值函数，来求解原函数里的无穷多自由度问题，并将此转换成有限度自由度问题。最后依据其能量方程或者加权产量方程来建立一个代数方程组，就可通过此来获得有限元法的数值解。

（二）有限元仿真步骤

第一步，对实物结构进行分析;第二步，以此建立一个集合模型;第三步，确定其分析的类型;第四步，定义材料属性并合理分配;第五步，为其划分网络;第六步，定义载荷以及边界的条件;第七步，为选项求解并设定结果;第八步，后处理和分析第二、三、四、五、六步骤。

通过上述步骤的表述可以看出，有限元分析的整个过程中，各个步骤环环相扣，每一个步骤都会对结果造成影响。而相对于一个复杂的有限元模型而言，需要对其进行多次反复的建模、计算并分析和比较结果来修正模型，去排除其中遇到的各种不确定因素，保证模型逐渐趋近于合理的条件。对于已经知晓实验见过的模型，同样需要反复修正来趋近甚至达到理想结果，而对于并未得出结果的模型，则是通过套用已经得知结果的模型去验证并预测未知结果。

四、热阻测试和结果

（一）结壳热阻值测试公式

热阻值能够推算出器具的工作温度，其结壳热阻值的公式是：[半导体结温（TJ）-参考点温度（TX）]/半导体热功耗（PH）=结壳热阻值，通过实际情况的需要来选择不同的参考点，便可定义不同的热阻[3]。

（二）测试方法与结果

根据热电偶法和瞬态双界面法可分为此类两种方法测试，基于热电偶法的测试方法首先是效验结温，通过选择合适的温度敏感性参数来获取其与温度的关系，然后测量结温，最后进行壳温测试;基于瞬态双界面法进行的测试方法前两个步骤与上一方法相同，然后需要实时地收集结温根据时间产生的变化，再依据瞬态热阻抗公式把降温曲线转换成热阻抗曲线，接着确定其结壳热阻，最后得到结构函数。

评价结构函数通常会遇到一定的困难，首先结构函数对瞬态热阻抗曲线的数据输入噪声尤为敏感，噪声常常是虚假的尖峰，但并不对应实际器件封装的物理结构;然后是加热电流切换到测试电流的瞬间会产生无法避免的电子噪声，需要对电子噪声产生的时间之后的数据来反推预测的切换瞬间的电压;对分离点的确定也比较困难[4]，因此，工程师需要多次测量并且积累许多不同因素产生的测试结果所吸收到的经验来确定更为详细的测试规范，以此保证此后测试的重复性以及准确性。

五、结束语

依据热阻实测分析得出，环境温度稳定性影响结温校准，因此需要建立一个可控制升降温和恒温的工艺环境，由于测试核心的结构函数具有许多不确定性，诸如数据的噪声等，需要工程师多次分析判断结构函数，才可以获取到重复性和校准性结果较好的结果;研究发现自行搭建热阻测试系统具有可行性，但依然存在着不确定因素，像电学参数设置和对测试环境的要求等，因此，还是需要进一步的对此进行大量的测试才能获取重复性较好的测试结果。

参考文献：

[1]赵鹤然， 康锡娥， 马艳艳. 提高器件热阻仿真值与测试结果契合度的方法[J]. 微处理机， 2017， 38（5）：27-31.

[2]滕为荣， 居长朝. 功率器件热阻的测量研究分析[J]. 电子与封装， 2011， 11（10）：18-22.

[3]康锡娥. 功率MOSFET器件稳态热阻测试原理及影响因素[J]. 电子与封装， 2015（6）：16-18.

[4]苏金鑫. 热阻参数在功率器件封装中的重要应用[J]. 知识经济， 2011（20）：78-78.