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。

探讨芯片级热传输

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。

 

探讨芯片级热传输

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。

 

 

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