0 引言

微波功率器件作為半導(dǎo)體器件的代表器件之一,集高頻率?大功率以及高效能等優(yōu)勢于一體,在電子通信?衛(wèi)星雷達(dá)以及國防軍事等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用?

由于功率器件大多應(yīng)用在極其惡劣的環(huán)境中,為保證功率器件長期有效的使用,提升功率器件的可靠性是目前功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)不得不考慮的一個(gè)重要問題?美國空軍航空電子就電子產(chǎn)品失效問題進(jìn)行了研究,結(jié)果如圖1所示,導(dǎo)致電子產(chǎn)品失效的因素主要包括粉塵?濕度?振動(dòng)?溫度四大類,其中溫度占比最高,是造成電子產(chǎn)品失效的最主要的因素?

溫度的升高會(huì)對(duì)功率器件造成不利的影響:

(1) 高溫條件下,器件中的HFE較大,容易引起工作點(diǎn)漂移?增益不穩(wěn)等現(xiàn)象,造成器件性能的不穩(wěn)定,產(chǎn)生漂移失效;

(2) 溫度升高會(huì)導(dǎo)致器件中的ICBO與ICEO反向電流增大,引起IC電流增大,IC增大又會(huì)使得ICBO與ICEO變大,形成惡性循環(huán),直到器件燒毀;

(3) 器件內(nèi)各層材料之間的熱膨脹系數(shù)存在差異,溫度升高會(huì)使整個(gè)器件的各個(gè)連接層承受較大熱應(yīng)力,易引起材料和結(jié)構(gòu)的損傷,產(chǎn)生鍵合線脫落?焊層分層等不利現(xiàn)象,降低器件的可靠性?

由于溫度直接影響功率器件可靠性,進(jìn)而影響功率器件的服役性能,因此,散熱分析已成為功率器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不得不考慮的一個(gè)問題了?由于作者單位之前通過不斷的選材試驗(yàn)以滿足產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)要求,這種方式成本較高,耗費(fèi)人力物力?在此背景下,作者單位開始對(duì)功率器件散熱性能展開仿真分析研究,通過ANSYS軟件分析不同裝配材料對(duì)于器件結(jié)溫的影響,避免了大量重復(fù)性的熱性能實(shí)驗(yàn),也為產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)提供有力的參考依據(jù)?為此,作者本人以某功率器件產(chǎn)品為例,深入分析裝配材料對(duì)于器件散熱性能的影響?

1 基于紅外熱成像儀的功率器件溫度測量

1.1紅外熱成像儀簡介

紅外熱成像儀的組成如圖2所示,主要由光學(xué)系統(tǒng)?紅外探測器?信號(hào)處理系統(tǒng)以及圖像顯示系統(tǒng)四部分?其中,光學(xué)系統(tǒng)包括鏡頭和對(duì)焦機(jī)構(gòu)組,它的功能是將紅外輻射匯聚到紅外探測器上;紅外探測器是紅外熱成像儀的傳感器,紅外傳感器通過熱釋電元件將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào);隨后,這個(gè)電信號(hào)被傳輸進(jìn)入信號(hào)處理系統(tǒng),信號(hào)處理系統(tǒng)再對(duì)其進(jìn)行降噪和放大處理,將輻射能量與被測物體的表面溫度對(duì)應(yīng)起來;最終,在圖像顯示系統(tǒng)上形成被測物體表面的溫度分布圖?

1.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果

該功率器件管芯具有對(duì)稱性,選取外側(cè)和中心兩個(gè)芯片進(jìn)行測試?從圖3?圖4可以看出,該功率器件的主要產(chǎn)熱區(qū)域是芯片,芯片的結(jié)溫要遠(yuǎn)高于周邊電容?陶瓷電路的溫度,整個(gè)模塊的溫度分布由芯片向器件外側(cè)遞減?分別提取管芯軸線上的溫度,其中:外側(cè)管芯的最高溫度為123.55℃,內(nèi)側(cè)管芯的最高溫度為125.33℃?外側(cè)芯片的溫度較低,內(nèi)側(cè)芯片的溫度較高,這是多熱源耦合的結(jié)果?

2 基于ANSYS的散熱仿真

2.1熱仿真模型

一個(gè)功率器件中往往會(huì)集成多個(gè)功率半導(dǎo)體芯片,芯片在工作中產(chǎn)生的熱量在各層之間通過熱傳導(dǎo)傳遞到管殼中,并由管殼與外部環(huán)境的對(duì)流換熱將熱量散發(fā)出去?本文使用ANSYS軟件對(duì)功率器件進(jìn)行有限元模擬,器件的幾何模型如圖5所示?對(duì)參照該產(chǎn)品的尺寸參數(shù)進(jìn)行簡化,具體尺寸參數(shù)及材料性能參數(shù)如表1所示?

在ANSYS傳熱學(xué)中作出以下假設(shè):

(1) 焊層沒有空洞,焊料均勻分布;

(2) 芯片產(chǎn)生的熱量僅取決于器件的功耗,且芯片產(chǎn)生的熱量均勻分布在芯片內(nèi)部;

(3) 由于Cu的輻射率僅為0.03,并且元器件各層的溫度并不高,輻射傳熱對(duì)于散熱產(chǎn)生的影響很小,不到總熱量的百分之一,所以在仿真中僅考慮傳導(dǎo)和對(duì)流;

(4) 假設(shè)器件內(nèi)各層材料均是理想接觸,各層之間均無接觸熱阻;

(5) 假設(shè)器件內(nèi)各層材料參數(shù)不會(huì)隨著溫度變化而改變?

結(jié)合功率器件工作在穩(wěn)態(tài)的特點(diǎn),選取管芯功耗作為載荷加載到熱仿真模型上?對(duì)于該產(chǎn)品,管芯的平均功耗為125W?

2.2仿真結(jié)果分析

為了與熱阻測試相對(duì)應(yīng),模擬熱相測試時(shí)的邊界條件,即恒溫載物臺(tái)恒定為70℃,外殼與空氣接觸的表面對(duì)流系數(shù)設(shè)為10W/(m2?K),周圍空氣溫度固定為20℃?圖6~圖9是125W耗散功率下的器件穩(wěn)態(tài)溫度場云圖?

由圖6可知,穩(wěn)態(tài)工作時(shí),該功率器件內(nèi)部溫度分布并不均勻,溫差較大?由圖7可以看出,外側(cè)芯片表面溫度較低,內(nèi)側(cè)芯片的表面溫度較高?芯片的最高結(jié)溫為122.14℃,出現(xiàn)在內(nèi)側(cè)芯片上,稍偏向管殼中心位置;最低溫度為95.307℃,出現(xiàn)在外側(cè)芯片的靠近管殼邊緣位置?

由于GaAs芯片的臨界溫度為Tjmax=175℃,管芯溫度不能超過其臨界結(jié)溫,否則容易引起芯片的擊穿?從圖7中可以看出GaAs芯片的最高結(jié)溫為122.14℃,小于最差條件下的臨界溫度,故該功率管在熱設(shè)計(jì)方面的可靠性可以得到保證,器件可以正常工作?

從圖8?圖9中可以看出,外側(cè)芯片的最高溫度為119.33℃,實(shí)驗(yàn)中熱成像儀測得的管芯最高溫度為123.55℃,誤差為3.42%;內(nèi)側(cè)芯片的最高溫度為122.14℃,熱成像儀測得的管芯最高溫度為125.33℃,誤差為2.55%,均在5%以內(nèi)?

分別提取有限元與實(shí)驗(yàn)中外側(cè)管芯的中心線溫度分布,如圖10?圖11所示?在外側(cè)管芯中,管芯外側(cè)處的溫度與實(shí)驗(yàn)誤差較大,最大誤差為7.56%;在內(nèi)側(cè)管芯中,管芯中心處的溫度與實(shí)驗(yàn)誤差較大,最大誤差為4.15%,驗(yàn)證了熱仿真模型的合理性?

3 功率器件因素對(duì)散熱性能影響

考慮到功率器件的散熱性能與各層材料?結(jié)構(gòu)有關(guān)?載體作為芯片散熱的重要路徑之一,載體的材料及厚度會(huì)對(duì)器件的散熱產(chǎn)生重大影響,接下來將分析載體材料及厚度對(duì)器件最高溫度的影響,并選擇GaAs芯片的臨界溫度作為參考依據(jù)?

對(duì)于功率器件而言,芯片產(chǎn)生的熱量向環(huán)境傳遞的導(dǎo)熱通道中,載體是主要材料之一?載體的材料直接影響著熱導(dǎo)率,繼而改變散熱通道的熱阻,使得器件的散熱性能存在差異?同時(shí)載體的厚度也會(huì)改變器件散熱通道的熱阻,散熱效果也會(huì)有所不同?因此有必要分析載體材料及其厚度對(duì)器件散熱性的影響?對(duì)不同載體材料(無氧銅?鉬銅?CPC?鎢銅)以及載體不同厚度(0.2~0.7mm)進(jìn)行仿真,獲得載體材料及厚度對(duì)管芯最高結(jié)溫的影響規(guī)律?載體材料屬性如表2所示?

載體材料及厚度對(duì)器件最高結(jié)溫的影響規(guī)律如圖12所示?從圖12中可以看出,相同功耗下,四種載體材料的最高結(jié)溫均小于GaAs芯片的臨界溫度Tjmax,芯片均可以正常工作?但當(dāng)載體材料為無氧銅時(shí),芯片的最高結(jié)溫最低,能使器件溫度場的分布得以改善,這是因?yàn)殂~具有相對(duì)較高的熱導(dǎo)率?因此,在功率器件設(shè)計(jì)時(shí),在充分考慮其他條件下,可以選用熱導(dǎo)率較大的材料,對(duì)于改善器件溫度場分布以及芯片的最高結(jié)溫效果顯著?

鎢銅?鉬銅載體的熱導(dǎo)率較低,芯片的最高結(jié)溫隨載體厚度的增加逐漸增加;CPC?銅的熱導(dǎo)率相對(duì)較高,芯片的最高結(jié)溫隨著載體厚度的增加先減小后增加?厚度增加,最高結(jié)溫下降主要是因?yàn)檩d體面積比芯片面積大,致使載體整個(gè)區(qū)域范圍內(nèi)的溫度分布并不均勻,在熱源范圍內(nèi),會(huì)使得局部溫度較高,也就產(chǎn)生了擴(kuò)展熱阻,當(dāng)兩種熱阻同時(shí)存在時(shí),整體熱阻的改變?nèi)Q于哪種熱阻占據(jù)主導(dǎo)地位?當(dāng)載體導(dǎo)熱性能較差時(shí),整體熱阻取決于導(dǎo)熱熱阻的變化,隨著載體厚度增大,整體熱阻逐漸提高,散熱性能相應(yīng)降低;當(dāng)載體導(dǎo)熱性能較好時(shí),整體熱阻取決于擴(kuò)展熱阻的變化,隨著載體厚度增大,擴(kuò)展熱阻逐漸降低,散熱性能相應(yīng)提高?從圖12可以看出,在0.2~0.5mm內(nèi),銅的擴(kuò)展熱阻占據(jù)主導(dǎo)地位,整體熱阻逐漸降低,使得器件最高結(jié)溫逐漸下降;在0.5~0.7mm內(nèi),導(dǎo)熱熱阻占主導(dǎo)地位,整體熱阻逐漸增大,使得器件的最高結(jié)溫逐漸提高?

4 結(jié)論

本文分析了某功率器件的散熱性能,通過熱成像儀監(jiān)測了管芯溫度,并采用有限元軟件ANSYS建立了該功率器件的熱仿真模型,將仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比,驗(yàn)證了仿真模型的正確性,繼而分析了載體材料及厚度對(duì)功率器件散熱性能的影響,為后續(xù)該功率器件材料的選取提供了指導(dǎo),避免了重復(fù)性的熱性能實(shí)驗(yàn),節(jié)約了成本?

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