半导体器件热分析

日期: 2018-06-29 16:15:37 作者: 希测网 点击数:  

        随着电子产品的小型化,轻薄化,功率密度也显著提高,此时热设计在产品的可靠性设计中变得尤为突出,这要求工程师能较好地分析器件的温升情况。目前热分析大致有三种方法:仿真、解析、实测。本文旨在介绍运用解析法进行热分析,主要围绕半导体器件展开。1.首先了解常用芯片封装(1)芯片散热式,见图1。该类封装常用于MOSFET与肖特基二极管,芯片载体直接作为散热器裸露在芯片外并直接与PCB焊接或与散热器接触。通常从规格书中可得到一热阻参数Rth - jc(junction -
case)即芯片与载体之间的热阻(2)引线框架式,见图2。该类封装常用于小功率LDO,塑封料完全包裹芯片和芯片载体,引脚与芯片通过引线连接。通常从规格书中可得到一热阻参数Rth - jp(junction - pin)即芯片与引线之间的热阻。

    图1.TO - 263封装结构图2.P - DSO - 14 - 4封装结构

    2.稳态热分析当芯片长时间处于稳定工作状态时,可进行稳态热分析,评估芯片的最终稳定温升情况。在实践中发现热流表现的特性与电路中电流表现的特性相吻合,借助电路分析方法可得芯片结温与功率、环境温度的关系式Tj = Pv * Rthj - a + Ta。一般可从规格书中得知芯片的最高结温Tjmax及结到环境的热阻Rthj - a。假设jmax = 150℃和Rthj - a = 92K / W,代入公式可得一直线,见图3。分析该图可得两截距,说明芯片最大功率不可以超过1.63W,最大环境温度不可超过150℃,直线上方区域可理解为芯片禁止工作的功率范围及环境温度范围。在已知环境温度Ta、功率Pv,运用公式可算出相应的结温。

    图3.从芯片规格书得知Tjmax,
    Rthj - a参数后,
    可得环境温度与功耗之间的关系。3.瞬态热分析半导体器件尤其是功率器件存在脉冲功率运行的情况,为了更好的评估芯片在瞬时工作过程中芯片温度上升程度,需要对芯片进行瞬态热分析。器件热瞬态特性与器件所采用的材料的Cth(热容)及Rth(热阻)息息相关。热容由材料的质量及材料的比热容决定,公式为Cth = m * c(其中m单位是kg,c为对应物质的比热容单位J / (kg * ℃))。热阻由材料的厚度、面积及热导决定,使用公式Rth = d / (L * A)计算。由于半导体器件整体的瞬态热传导模型比较复杂,为了能较为便捷地评估芯片的温升可参考芯片规格书中脉冲工况与整体热阻抗Zthj - c,Zthj - a的关系图,
    见图4。运用该参数可将瞬态热分析转换为稳态热分析,运用公式Ta - Tj = P * Zthj - a,估算出芯片结温上升的最大值。举例:tp = 0.1s,对应的Zthj - a约为15 K / W(图4红色标注部分),环境温度为25℃,假设芯片功耗为1W(可通过芯片的电压及电流进行计算),则按照公式计算出芯片在脉冲工作阶段爬升的最高温度为40℃。

    图4.不同脉冲工况下对应的热阻抗参考文献《Thermal Resistance Theory and Practice》---Infeneon.今天分享了运用解析法进行热分析,希望大家能有所收获。后续还会推出更多与热分析相关的内容,请大家多多关注!

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