高压大功率芯片封装的散热研究与仿真分析

以工作电压为７０Ｖ、输出电流为９Ａ 的高压大功率芯片 ＴＯ－３ 封装结构为例，首先基于热分析软件 Ｆｌｏ ＴＨＥＲＭ 建立三维封装模型，并对该封装模型的热特性进行了仿真分析。其次，针对不同基板材料、不同封装外壳材料等情况开展对比分析研究。最后研究封装体的温度随粘结层厚度、功率以及基板厚度的变化，得到一个散热较优的封装方案。仿真验证结果表明，基板材料和封装外壳的热导率越高，其散热效果越好，随着粘结层厚度以及芯片功率的增加，芯片的温度逐渐升高，随着基板厚度的增加，芯片温度降低，当基板材料为铜、封装外壳为 ＢｅＯ，粘结层 为 ＡｕＳｎ２０时，散热效果最佳。

电子封装的作用主要是保护芯片、减小外界环境对芯 片的影响，并为其提供良好的电气连接、机械支撑以及散热路径，对提高芯片的性能、使用寿命以及降低成本起到决定性的作用。由于 ＴＯ－３封装具有功率大、散热快、封装工艺简单等特点，故高压大功率芯片大多采用 ＴＯ－３封装。对于高压大功率芯片，因其工作在高电压、大电流的条件下，容易引起大量热量的积累而造成器件的失效，元器件的失效率随着结温的升高呈指数上升。结温每上升约１０℃， 器件的寿命就会减少一半。因此，为了保证芯片的可靠 性，对封装结构的热仿真分析变得越发重要。

在散热方面，对于不同的结构和材料，需要考虑如下４个环节的散热问题，芯片到粘结层，粘结层到基板，基板到 冷却装置以及芯片到封装外壳。这４个环节构成高压大功率的传热通道，其中任何一个环节失败都影响高压大功率芯片的散热，因此，要使封装体具有良好的散热特性并得到一个较好的散热方案，深入研究有无基板时两种封装结构的温度对比、不同基板材料、封装外壳材料对封装体散热的影响以及功率、粘结层厚度和基板厚度对封装结构温度的影响有重要的意义。

本文首先针对高压大功率芯片设计其封装结构，基于 ＦｌｏＴＨＥＲＭ 热分析软件建立封装模型，然后对该模型的散热特性进行仿真分析。研究当采用不同基板材料、不同封装外壳材料和改变芯片功率时封装结构温度的变化，最后研究当采用 ＢｅＯ 陶瓷材料作为基板、ＡｕＳｎ２０材料做粘结层、环氧树脂做封装外壳时，封装体的温度随粘结层厚度、基板厚度的变化。

针对高压大功率芯片的封装结构，选用 ＴＯ－３封装，其封装外形和封装结构的内部剖面图如图１所示。

图１ ＴＯ－３封装结构

芯片的封装是指利用微细加工技术，将芯片及其他相 关部分固定在框架或基板上，引出接线端子并通过可塑性 绝缘介质灌封固定，以构成整体立体结构的一种工艺。封装的基本工艺流程包括如下几步：芯片切割、芯片贴装、芯片键合、成型、上焊锡和打码等。从图中可以看出，封装结构主要由六部分组成，分别是基板、粘结层、芯片、引脚、 引线和封装外壳。

基于 ＴＯ－３的封装结构，利用 ＦｌｏＴＨＥＲＭ 热分析软件建立封装模型，对模型进行仿真，为了简化仿真，这里做一个近似，实际封装中引线的形状是弯曲的，根据引线的实际长度进行简化，使其与坐标轴平行，并且由于引线的数量很多，详细建模会耗费太多的计算资源，通过８个具有各向异性的长方体（ｃｕｂｏｉｄ）来简化引线。模型中所设置的各组成部分的几何尺寸如表１所示。

表１ 模型各组成部分的几何尺寸 （ｍｍ）

基于实际的情况，仿真环境和边界条件分别设置为：１）环境温度为２７℃；２）采用强迫空气对流，芯片表面和基板表面都是通过风扇 进 行 对 流，忽略辐 射散热，换热系数为 １０ Ｗ／ｍ２·Ｋ；３）热源的结构定义为 ６．３×６．３× ０．０７５ｍｍ的立方体，由于该芯片的工作电压为７０Ｖ，输出电流为９Ａ，静态功耗为１２５Ｗ，故定义模型中有源区的 功率为１２５ Ｗ。由于考虑基板和封装外壳的热传导，对基板和封装外壳进行网格约束，在基板厚度方向和封装外壳厚度方向至少设置３个网格，这里皆设 置 为１０，并且设置膨胀网格的距离为５％，保证系统网格在各模块之间平滑过度。

基于 ＴＯ－３的封装结构，这里分别选取四种常用的基板材料和封装外壳材料，将四种基板材料或封装外壳材料依次嵌入仿真模型中进行仿真，当仿真不同的基板材料对芯片温度的影响时，除了基板材料，模型其它组成部分的具体参数不变，同理，当仿真不同的封装外壳材料对芯片 温度的影响时，除了封装外壳材料，模型其它组成部分的具体参数保持不变，选取的四种基板材料和封装外壳如表２所示。

表２ 四种基板材料和四种封装外壳的参数

先仿真不同的基板材料对芯片温度的影响，将模型中 基板模块的材料属性先定义为硅进行仿真，再定义为 ＡｌＮ 进行 仿 真，然后又定义为ＢｅＯ 进行仿 真，最后定义为 Ａｌ２Ｏ３进行仿真；然后仿真不同的封装外壳材料对芯片温度的影响，以环氧树脂、ＡｌＳｉ、铜、铝的顺序分别进行仿真， 仿真结果如图２所示。

从图２可以得到，当基板材料为 Ａｌ２Ｏ３ 时，温度最高， 为１４０．８２℃，Ａｌ２Ｏ３ 的热导率是四种基板材料中最低的， 基板材料为 ＢｅＯ 时，温度最低，为１３５．８１５ ℃，ＢｅＯ 的热导 率是四种基板材料中最高的；当封装外壳为环氧树脂时，封装体的温度最高，温度为１４１．２７２℃，环氧树脂的热导率是四种封装外壳材料中最低的，封装外壳为铜时，温度最低， 为１３５．８１５℃，铜的热导率是四种封装外壳材料中最高的。因此，从图２中可以知道，材料的热导率越高，封装结构的温度越低，散热效果越好。

图２ 仿真不同基板材料、封装外壳的温度监控曲线

当芯片的功率发生变化时，芯片的温度会改变，设置芯片的功率从 １１０ Ｗ 变到 １３０ Ｗ，分别仿真了环境温度为２７℃和８５ ℃时芯片温度随功率变化的情况，仿真结果如 图３所示。

图３ 芯片温度随功率的变化

从图３知，封装体的温度随芯片功率的增加而升高，功率越大，芯片的温度越高。

为了研究芯片温度随基板厚度的变化情况，这里设置 基板厚度从１～２０ｍｍ，对表２中的四种基板材料进行仿真 对比，结果如图４所示。

图４ 芯片温度随基板厚度的变化

从图４得到，在１～２０ｍｍ 之间，芯片的温度随基板厚度的增加而降低，基板越薄，芯片的温度越高，变化越急剧， 随着基板厚度的增加，温度逐渐降低，且温度的变化越来越来缓慢，从图４也可以看出，基板材料的热导率越高，散热特性越好。

粘结层的作用是将芯片固定于封装基板上，由于其热 导率较低，芯片散热受到很大限制，其厚度的改变对芯片的散热也有很大的影响，为了研究粘结层厚度对芯片散热的影响，设置粘结层的厚度从０．０１５ｍｍ 到０．０８５ｍｍ，对模 型进行仿真。并且这里选择了三种粘结层材料进行对比仿真，分别是锡铅银、导电环氧树脂、ＡｕＳｎ２０，其热导率分别为５０Ｗ／（ｍ·Ｋ）、０．８Ｗ／（ｍ·Ｋ）、５７Ｗ／（ｍ·Ｋ）。仿真结果如图５所示。

图５ 芯片温度随粘结层厚度的变化

从图５得到，芯片的温度随着粘结层厚度的增加而升 高，并且粘结层材料的热导率越低，芯片的温度上升越快，材料的热导率越高，散热特性越好，芯片温度的变化相对缓慢。

由仿真结果知，芯片的温度随功率和粘结层厚度的增 加而升高，随基板厚度的增加而降低；并且材料的热导率越高，其散热效果越好。从仿真结果得到，当模型中的基板材料为铜、封装外壳为 ＢｅＯ，粘结层 为 ＡｕＳｎ２０时，散热效果最佳，模型中各组成部分的具体参数如表３所示。

表３ 模型各组成部分的材料和热导率

对模型进行热仿真，其温度显示平面图如图６所示。

图６ 整体封装结构的热场分布仿真结果

从图６可以看出，最高温度为１３６℃，位于芯片有源区的中央，向四周温度逐渐降低，从图６ｃ可以看出，温度沿着基板方向逐渐降低，传热的路径为芯片到粘结层，粘结层到基板，最后传到环境中，图中红色表示最高温度区域。若把铜金属外壳换成环氧树脂外壳，其温度显示平面图将如图７所示。

图７ 模型中用环氧树脂做外壳时的温度显示平面图

从图７可以看出，若把封装外壳材料换成环氧树脂，封 装体的温度变高，从１３６ ℃升到１３９ ℃，温度上升了３℃， 环氧树脂的热导率比铜要低很多，热导 率越低，传热越困难，芯片的温度越高。若把基板材料换为 ＡｌＮ，其温度显示平面图将如图８所示。

图８ 模型中用 ＡｌＮ 做基板材料时的温度显示平面图

从图８可以看出，当基板材料由 ＢｅＯ 陶瓷基板更换为 ＡｌＮ 陶瓷基板时，封装模型的温度变为１３７℃，比基板材料 为 ＢｅＯ 时升高了１ ℃，可以看出，基板材料热导率的高低 对散热有很大的影响。在对模型整体结构的仿真过程中， 各组成模块几何尺寸的设置如表１所示，由图４、５知，增加基板厚度和稍微减小粘结层的厚度，封装体的温度将会更低，根据实际封装的需要，选取合适基板的厚度、粘结层的 厚度以及封装外壳材料，便可以得到一套散热效果较佳的 封装方案。

本文分别仿真了不同基板材料、不同封装外壳材料对 芯片散热的影响以及仿真了芯片温度随功率、基板厚度以及粘结层厚度的变化，最后得出一个散热较好的封装方案。结果表明：基板材料和封装外壳的热导率越高，其散热效果越好；封装体的温度随基板厚度增加而降低，随功率的增加和粘结层厚度的增加而升高；最后得出散热效果最佳的封装方案为采用 ＢｅＯ 陶瓷材料做基板、ＡｕＳｎ２０材料做粘结焊料、铜做封装外壳。

来源：电子测量技术

作者：杨勋勇１ 杨发顺１ 胡 锐２ 陈 潇２ 马 奎１

１．贵州大学大数据与信息工程学院

２．贵州振华风光半导体有限公司