探讨芯片级热传输
大多数功率半导体器件的结构都非常相似。器件的主要部分，或“芯片”，可焊接至一些铜片或引线框架上。添加的引脚可以连接至PCB，从而将整体部分或完全封入塑料封装中。或者，大多数表面贴装器件将铜片的外表面裸露，这样可以将器件焊接到PCB上，铜片还可以提供从芯片到外部热量传输和电子通道。这就是D2PAK和DPAK器件采用的结构方法，您可能会非常熟悉。
典型Nexperia D2PAK设备的热仿真模型如图1所示。这是一个“详细的”热模型示例，其中包含芯片、引脚、铜片等分立建模元件。
图1.Nexperia D2PAK MOSFET（左上）、详细热模型（左下）和详细芯片结构（右）
对于安世半导体功率MOSFET，此芯片模型比功耗均匀的简单硅片更加精致。如图1中所示，芯片的整体厚度为240 µm。这可以分成两部分：芯片体，可以导热但不散热；较薄的芯片结点，可以导热，并且当器件传导电流时帮助芯片散热。在芯片顶部，有5 µm的铝层。这种芯片细节水平对于分析器件瞬态散热非常重要。
由于芯片的非统一特性，无法立即了解芯片节点散热时器件内部的热量如何流动，或者 器件各个部分中的热量如何随时间上升。通过模拟，我们可以轻松给这些效果建模，我现在将在这里演示方法。
出于本次练习的目的，我们将使用安装在PCB上的D2PAK MOSFET仿真模型。利用图1所示的详细器件模型，我们将会执行多个持续时间不同的瞬态热仿真，并观察温度上升和芯片内的热传输。所有示例的起始温度都是20 °C，仿真持续时间（或功率脉冲宽度）为1 µs、10 µs、100 µs和1 ms。所有示例中的芯片结点功耗均为1500 W，记录芯片结点中心位置的结温TJ。仿真的温度图如图2所示。为了更清楚地说明，我们从模型中间提取一个切片，隐藏塑料外壳和引脚，让三个示例中的铜片都保持透明。这样，可以更清晰地观察设备芯片内的温度变化情况。
图2.1 µs、10 µs、100 µs和1 ms后的D2PAK MOSFET温度图
一些有趣的观察结果：
- 1 µs后，TJ其实很难增加。尽管芯片结点的功耗可能很高(1500 W)，但设备内的总能耗仍然只有1.5 mW。
- 100 µs后，大约只有一半芯片厚度仍然保持起始温度，且TJ相对较低，只有60.5 ℃。
- 1ms时，我们最终会看到热量开始向铜片顶部传输，且TJ接近器件的最高限值175 ℃。
如果我们仔细看看结构中不同器件的热量传输，就会发现，1ms之后，总热量中只有不到1%通过铜片底部散出，甚至比通过器件周围塑料部件传输的热量还少。这可能会带给我们最有趣也是最有用的结论。
针对持续时间最长1 ms的单功率脉冲，即便脉冲幅度较大，大部分热传输和温度变化都会发生在器件内部。任何附加的PCB或散热器都与此时间段无关。
针对其他功率封装（DPAK、TO220、LFPAK等）进行的其他练习都得到类似的结果。
Christopher Hill
Chris是安世半导体功率MOSFET团队的应用工程师，拥有多年丰富的经验，曾经处理过大量的功率半导体设计导入挑战。这些挑战中的一个老生常谈的问题就是“热”，因此，他在工作中投入了大量的精力去解决热性质的问题。他撰写了许多会议论文、杂志文章和应用笔记，涉及多个不同的功率半导体主题。
