多芯片陶瓷封装的结-壳热阻分析方法

随着半导体行业对系统高集成度、小尺寸、低成本等方面的要求,系统级封装(Si P)受到了越来越多的关注。由于多芯片的存在,Si P的散热问题更为关键,单一的热阻值不足以完整表征多芯片封装的散热特性。介绍了多芯片陶瓷封装的结-壳热阻分析方法,通过热阻矩阵来描述多芯片封装的散热特性。采用不同尺寸的专用热测试芯片制作多芯片封装样品,并分别采用有限元仿真和瞬态热阻测试方法分析此款样品的散热特性,最终获得封装的热阻矩阵。     

一种基于热阻网络的叠层芯片结温预测模型

提出了一种基于热阻网络的叠层芯片结温预测模型,该模型根据芯片内各组件的尺寸和热导率计算出对应的热阻,同时考虑了接触热阻和热量耦合效应,从而得到每层芯片在不同功耗情况下的结温预测值。在一个三芯片堆叠结构中,使用提出的方法对芯片结温进行预测,并与ANSYS仿真软件结果作比较,发现结温预测值的相对误差均小于4.5%。因此,该模型仅需根据芯片结构和材料参数,便可快速精确地估算出芯片在不同工作环境下的结温值。     

多芯片组件热阻技术研究

在传统单芯片封装热阻定义的基础上,针对多芯片组件(MCM)传统热阻表示方法的不足,基于线性叠加原理,采用有限元模拟技术,提出了MCM的结到壳的热阻表示方法——热阻矩阵,并利用有限元模拟方法对热阻矩阵进行了验证。结果表明,采用热阻矩阵方法预测器件结温的误差小于2%。     

大功率LED结温测量及发光特性研究

介绍了基于正向电压法原理自行研制的大功率LED结温测试系统,结温定量测量精度可达±0.5 ℃.利用该系统对不同芯片结构与不同封装工艺的大功率LED热阻进行了测量比较,并对不同结温的大功率LED发光特性进行了研究.结果表明,不同结构芯片温度-电压系数K明显不同;采用热导率更高的粘结材料和共晶焊工艺固定LED芯片,会明显降低封装层次引入的热阻.结温对光辐射功率有直接影响,若保持结温恒定,光辐射功率随电流增大线性增加;若保持外部散热条件不变,热阻大的芯片内部热量积累较快,导致结温上升速度更快,光效随电流增加而下降的趋势也更为严重.     

集成电路封装热阻分析

集成电路热阻是集成电路特别是功率型电路的主要可靠性参数。在一定功率下,它决定了电路工作时的结温,在进行系统热设计、可靠性预计时都要考虑电路的热阻。集成电路热阻测试方法是我国微电子工业尚待解决的问题,也是当前研究重点之一。本文介绍采用统一热分布的标准芯片测试电路热阻的方法,并分析不同封装形式、不同粘片工艺、不同芯片面积以及不同生产厂对电路热阻的影响。     

UV-LED印刷灯散热系统设计研究

对大功率LED而言, 如何保持芯片结温在允许的范围内, 是散热系统设计的关键。针对大功率UV-LED印刷灯, 设计了热管加风冷翅片的散热模型方案, 采用热分析软件模拟得到散热模型的温度和流动分布, 并对散热模组进行不同输入功率下的实验测试, 对比分析了仿真模拟和实验测试的芯片结温值和热沉到环境热阻值等结果, 发现仿真模拟和实验测试结果有较好的一致性, 说明热管加风冷翅片比传统风冷翅片有更好的散热性能。     

硅基MOSFET功率放大器TO-3封装热性能研究

针对某款硅基MOSFET功率放大器TO-3封装散热问题,研究了其内部2个功率芯片在35 W下的热性能.通过建立该款功率放大器TO-3封装的有限元仿真模型,采用热仿真软件对这2个功率芯片的间距、焊片材料和厚度以及基板材料和厚度进行仿真优化,分析各个变量对芯片结温的影响.仿真结果表明在管基材料确定的情况下,氧化铍基板和金锡焊片对器件散热有较明显的效果.选用2.5 mm厚的10#钢和其他优化参数进行仿真,结果显示芯片位置处的温度最高,最高温度约为88℃.通过制备相应产品对比了优化前后该款功率放大器的温度变化,测试结果显示优化后器件热阻从2.015℃/W降低到1.535℃/W,产品散热效率提高了约23％.     

基于石墨嵌入式结构的SiC功率模块热仿真与优化

SiC器件相比于Si器件,具有更高的功率密度,表现出高的器件结温和热阻。为了提高SiC功率模块的散热能力,提出了一种基于石墨嵌入式叠层DBC的SiC功率模块封装结构,并建立封装体模型。通过ANSYS有限元软件,对石墨层厚度、铜层厚度和导热铜柱直径进行分析,研究各因素对散热性能的影响,并对封装结构进行优化以获得更好的热性能。仿真结果表明,石墨嵌入式封装结构结温为61.675℃,与传统单层DBC封装相比,结温降低19.32%,热阻降低27.05%。各影响因素中石墨层厚度对封装结温和热阻影响最大,其次是铜柱直径和铜层厚度。进一步优化后,结温降低了2.1%,热阻降低了3.4%。此封装结构实现了优异的散热性能,为高导热石墨在功率模块热管理中的应用提供参考。     

热仿真设计在陶瓷封装中的应用研究

热仿真设计可以对封装产品进行散热性能评估,对缩短产品设计周期、提高产品热可靠性有着重要的意义。采用有限元方法对陶瓷封装器件进行了结壳热阻(θJC)的仿真分析。仿真结果显示,当采用两种不同方法进行边界条件处理时,所得仿真结果产生一定的差异。分析认为,陶瓷基板散热条件的变化会对最终的热阻值造成一定的影响。热电测试法被用来进行实物封装的热阻测量,测试时采用的导热胶会对最终的测试结果产生影响。仿真与测试结果对比显示,仿真方法可以获得较精确的结果。     

基于GaN功率器件的热仿真技术研究

针对大功率器件散热瓶颈问题,基于GaN功率芯片,利用有限元分析方法开展了芯片近结区热特性模拟方法的研究。建立了芯片近结区散热能力仿真评估的三维理论模型,系统地研究了不同的初始条件、边界条件、晶格热效应及结构理论假设等因素对仿真精度的影响,分析了理论建模因素对计算结果的影响的原因。同时采用红外热成像仪对不同功率下的GaN芯片结温进行测试验证,模拟计算的结果和测试值的偏差在10%之内,表明合理建模的热仿真技术可有效评估器件散热能力。     

小封装二极管的热阻测试

随着封装体积的减小,半导体分立器件引线的外露部分也越来越小,这给引线温度的测试带来了巨大挑战.以封装外形为SOD-123FL的小电流整流二极管为例,介绍了结到引线的热阻和结到环境的热阻的测试方法.通过测量焊接于引线端部的小尺寸二极管芯片以及被测样品在不同温度下的热敏电压,实现了对小封装器件的引线温度和二极管本身结温的精密测量.     

粘结层空洞对功率器件封装热阻的影响

功率器件的热阻是预测器件结温和可靠性的重要热参数,其中芯片粘接工艺过程引起的粘结层空洞对于器件热性能有很大的影响。采用有限元软件Ansys Workbench对TO3P封装形式的功率器件进行建模与热仿真,精确构建了不同类型空洞的粘结层模型,包括不同空洞率的单个大空洞和离散分布小空洞、不同深度分布的浅层空洞和沿着对角线分布的大空洞。结果表明,单个大空洞对器件结温和热阻升高的影响远大于相同空洞率的离散小空洞;贯穿粘结层的空洞和分布在芯片与粘结层之间的浅空洞会显著引起热阻上升;分布在粘结层边缘的大空洞比中心和其他位置的大空洞对热阻升高贡献更大。     

功率型倒装结构LED系统热模拟及热阻分析

为了了解功率型倒装结构LED系统各部分热阻,找出LED系统散热关键,对功率型倒装结构LED系统进行了有限元热模拟,同时结合传热学基本原理分析了各部分的热阻.结果表明,LED系统中凸点,Si-submount管壳和散热体的自身热阻较小,而芯片、粘结剂、散热体-环境的热阻较大,占系统热阻主要部分.因此优化设计芯片与散热体,选取导热率高的粘结剂,可以有效降低LED系统的热阻,成为LED系统散热设计的关键.     

功率型倒装结构LED系统热模拟及热阻分析

为了了解功率型倒装结构LED系统各部分热阻,找出LED系统散热关键,对功率型倒装结构LED系统进行了有限元热模拟,同时结合传热学基本原理分析了各部分的热阻.结果表明,LED系统中凸点,Si-submount管壳和散热体的自身热阻较小,而芯片、粘结剂、散热体-环境的热阻较大,占系统热阻主要部分.因此优化设计芯片与散热体,选取导热率高的粘结剂,可以有效降低LED系统的热阻,成为LED系统散热设计的关键.     

安防用红外LED的性能和可靠性

安防用红外发光二极管(LED)要求具有更高的辐射功率和更低的功率退化。通过比较不同红外LED芯片材料的性能,设计选用850 nm GaAlAs芯片,以满足安防用红外LED的性能要求。封装材料的应力和热阻是影响红外LED功率退化的两个因素。试验证明通过采用硅胶包封芯片,降低了环氧树脂封装所带来的应力,可使Lamp型红外LED功率退化由18%降为6%。通过计算得出铁支架Lamp型、铜支架Lamp型和大功率三种红外LED的热阻分别为483.8,173.1和6.7℃/W,经通电1 000 h试验后功率退化分别为18%,10%和0,证明采用高导热材料,能够提高器件的散热能力,降低芯片结温,有效减少辐射功率退化现象。     

提高小功率白光LED热特性的新方法

在传统直插式LED封装方法的基础上,提出了一种在环氧树脂中添加氮化硼(BN)填料的改进LED封装工艺。测量了BN填料质量分数与导热系数的关系,利用有限元分析软件ANSYS分析和实验测试了采用改进封装工艺φ5 mm白光LED的芯片结温、热阻等参数,并与传统封装方法的白光LED进行比较。结果表明:采用改进封装结构φ5 mm白光LED结温比传统封装方法下降4.5℃,热阻下降了17.8%,同时提高了初始光通量,降低了光衰。     

基于电热耦合模型的功率器件结温预测

结温预测对于功率器件的可靠性分析具有重要意义,基于此,提出了一种基于电热耦合模型的功率器件结温预测方法。首先通过Twin Builder软件建立了绝缘栅双极晶体管(IGBT)的行为模型,通过电路仿真的手段获取IGBT的平均功耗为324 W;然后将IGBT的功耗代入有限元仿真模型中得到了IGBT模块温度场分布,最高温度为99.58℃;最后搭建了IGBT模块结温测试平台,将仿真结果与实验数据进行对比,验证温度场计算模型的有效性;并实验对比了IGBT功耗分别为119 W和294 W下的最高结温,得到的温度场计算误差在10%以内,验证了IGBT有限元模型的有效性。     

集成电路陶瓷封装热阻的测试方法

封装热阻是集成电路、电子器件总热阻的一部分。测试封装热阻是评估电子器件热性能的重要手段。本文提出用热试验塑封功率管作加热元件,并用热敏参数法来测量功率管的芯片温度。采用扣除法来测定封装热阻。通过对不锈钢试样的实验测试和理论计算,验证了该测试方法的可靠性。在各种工作条件下测试了多种高密度封装的热阻,得到了满意的结果。     

中心复合实验设计在MCM热分析中的应用

介绍了中心复合实验设计法(CCD)来评价多热源电子封装的热特性，并对封装的复合实验设计进行有限元热模拟，得到相应的响应值，并得到一组线性或多项式的响应方程。利用该方程可预测不同功率结构、不同冷却条件下封装内各器件的结温。并根据CCD响应方程所预测的MCM中各芯片结温值与有限元模拟值间的比较，评价了CCD响应模型精度。     

大功率白光LED的结温测量

大功率LED器件的结温是其热性能的重要指标之一,温度对LED的可靠性产生重要的影响。采用板上封装的方法,利用大功率芯片结合金属基板封装出了大功率白光LED样品,利用LED光强分布测试仪测试了器件的I—V曲线,用正向电压法测量了器件的温度敏感系数,进而通过测量与计算得到器件的结温和热阻。最后利用有限元对器件进行实体建模,获得了器件的温度场分布。测量结果表明：正向电压与结温有很好的线性关系,温度敏感系数为2mV·℃^-1,LED的结温为80℃,热阻为13℃·W^-1。有限元模拟的结果与实测值具有良好的一致性。