基于有限元分析的功率器件封装热阻研究

发布时间：2017-06-19 15:00

  本文关键词：基于有限元分析的功率器件封装热阻研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着人们对于半导体功率器件性能参数要求的不断提高,半导体功率器件不断朝着高电压大电流的方向发展,不断增加的热功耗所引发的结温升高以及器件相关可靠性能降低等问题逐渐成为制约其发展应用的障碍。结温升高不仅会造成半导体功率器件电学参数的漂移,也会影响器件可靠性,缩短其使用寿命。在电路设计的过程中,为了保证器件工作时的结温被控制在规定范围内,将器件封装热阻以及外部散热条件纳入考虑就显得非常重要。因此,半导体功率器件的封装热阻是器件生产制造厂商和设计者需要关注的重要参数。本文综述了工业生产中功率器件热阻的相关测试标准与测试方法,还建立了功率器件的有限元热分析模型,对其封装热阻进行理论研究。一方面,本文依据JEDEC组织于1995年12月在文件JESD51中提出的热阻的概念,描述了热阻测试的基本原理。本文根据JESD51-1中规定的基于电学参数的动态热阻测试方法,使用AnaTech Phase 11热分析仪测试了不同封装不同型号的功率器件的结壳热阻以及结到环境的热阻值。实际测量获得的大量测试结果表明：首先,结壳热阻值与管芯的面积有关,管芯面积越大,结壳热阻值越小；其次,结到环境的热阻与封装主体的体积有关,封装体体积越大,结到环境的热阻值越小；最后,结到环境的热阻值与封装结构有关,塑封料和铜框架的改变对结到环境的热阻值均有影响。另一方面,本文利用有限元分析软件ANSYS对TO-220F封装形式的功率器件进行了建模和稳态热分析仿真。以此模型为基础,本文探究了边界条件、管芯面积、封装体尺寸、焊料种类、焊层缺陷等因素对仿真热阻值的影响。仿真结果表明：首先,结壳热阻值会随着管芯尺寸的减小、焊锡料热导率的减小或者焊锡层厚度的增加而变大；其次,结温也会随着铜框架面积的减小而升高；最后,锡层空洞的的大小和位置对结壳热阻也各有影响。根据仿真所得的结果,本文建议封装制造厂商,减小塑封体体积、合理选择焊锡料类型以及改善贴片工艺,都可以在不削弱器件整体性能前提下,较少开支节约成本。
【关键词】：热阻 结温 有限元分析 TO-220F
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN305
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 符号对照表11-13
• 缩略语对照表13-16
• 第一章 绪论16-26
• 1.1 功率器件的发展史16-18
• 1.2 国内外发展现状18-20
• 1.2.1 功率器件的封装19-20
• 1.3 可靠性实验与温度引发的失效20-24
• 1.3.1 可靠性实验20-22
• 1.3.2 温度引发的失效22-24
• 1.4 本章小结24-26
• 1.4.1 本章小结24
• 1.4.2 文章脉络24-26
• 第二章 功率MOSFET的热阻26-40
• 2.1 功率MOSFET的主要参数26-28
• 2.2 热阻28-33
• 2.2.1 热阻测试的基本原理29-30
• 2.2.2 热阻测试的基本方法30-33
• 2.3 实验室测热阻33-38
• 2.3.1 AnaTech Phase 1133-34
• 2.3.2 测量结果34-35
• 2.3.3 测量结果分析35-38
• 2.4 本章小结38-40
• 第三章 模型仿真40-48
• 3.1 仿真软件40-43
• 3.1.1 AutoCAD40
• 3.1.2 Ansys40-41
• 3.1.3 有限元分析方法基本原理41-43
• 3.2 模型的建立与仿真43-47
• 3.2.1 建立模型43-44
• 3.2.2 模型仿真44-47
• 3.3 本章小结47-48
• 第四章 热阻与封装因素的关系48-62
• 4.1 加热功率对仿真热阻的影响48-49
• 4.2 管芯尺寸对于仿真热阻的影响49-51
• 4.3 塑封体和铜框架对仿真热阻的影响51-54
• 4.3.1 铜框架51-52
• 4.3.2 塑封体52-54
• 4.4 粘结层对仿真热阻的影响54-61
• 4.4.1 焊锡料种类54-55
• 4.4.2 焊锡料厚度55-56
• 4.4.3 锡层空洞56-61
• 4.5 本章小结61-62
• 第五章 全文总结与展望62-64
• 5.1 全文总结62-63
• 5.2 研究展望63-64
• 参考文献64-68
• 致谢68-70
• 作者简介70

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