以工作電壓為７０Ｖ、輸出電流為９Ａ 的高壓大功率芯片 ＴＯ－３ 封裝結(jié)構(gòu)為例，首先基于熱分析軟件 Ｆｌｏ ＴＨＥＲＭ 建立三維封裝模型，并對該封裝模型的熱特性進(jìn)行了仿真分析。其次，針對不同基板材料、不同封裝外殼材料等情況開展對比分析研究。最后研究封裝體的溫度隨粘結(jié)層厚度、功率以及基板厚度的變化，得到一個散熱較優(yōu)的封裝方案。仿真驗證結(jié)果表明，基板材料和封裝外殼的熱導(dǎo)率越高，其散熱效果越好，隨著粘結(jié)層厚度以及芯片功率的增加，芯片的溫度逐漸升高，隨著基板厚度的增加，芯片溫度降低，當(dāng)基板材料為銅、封裝外殼為 ＢｅＯ，粘結(jié)層 為 ＡｕＳｎ２０時，散熱效果最佳。
電子封裝的作用主要是保護(hù)芯片、減小外界環(huán)境對芯 片的影響，并為其提供良好的電氣連接、機(jī)械支撐以及散熱路徑，對提高芯片的性能、使用壽命以及降低成本起到?jīng)Q定性的作用。由于 ＴＯ－３封裝具有功率大、散熱快、封裝工藝簡單等特點，故高壓大功率芯片大多采用 ＴＯ－３封裝。對于高壓大功率芯片，因其工作在高電壓、大電流的條件下，容易引起大量熱量的積累而造成器件的失效，元器件的失效率隨著結(jié)溫的升高呈指數(shù)上升。結(jié)溫每上升約１０℃， 器件的壽命就會減少一半。因此，為了保證芯片的可靠 性，對封裝結(jié)構(gòu)的熱仿真分析變得越發(fā)重要。
在散熱方面，對于不同的結(jié)構(gòu)和材料，需要考慮如下４個環(huán)節(jié)的散熱問題，芯片到粘結(jié)層，粘結(jié)層到基板，基板到 冷卻裝置以及芯片到封裝外殼。這４個環(huán)節(jié)構(gòu)成高壓大功率的傳熱通道，其中任何一個環(huán)節(jié)失敗都影響高壓大功率芯片的散熱，因此，要使封裝體具有良好的散熱特性并得到一個較好的散熱方案，深入研究有無基板時兩種封裝結(jié)構(gòu)的溫度對比、不同基板材料、封裝外殼材料對封裝體散熱的影響以及功率、粘結(jié)層厚度和基板厚度對封裝結(jié)構(gòu)溫度的影響有重要的意義。
本文首先針對高壓大功率芯片設(shè)計其封裝結(jié)構(gòu)，基于 ＦｌｏＴＨＥＲＭ 熱分析軟件建立封裝模型，然后對該模型的散熱特性進(jìn)行仿真分析。研究當(dāng)采用不同基板材料、不同封裝外殼材料和改變芯片功率時封裝結(jié)構(gòu)溫度的變化，最后研究當(dāng)采用 ＢｅＯ 陶瓷材料作為基板、ＡｕＳｎ２０材料做粘結(jié)層、環(huán)氧樹脂做封裝外殼時，封裝體的溫度隨粘結(jié)層厚度、基板厚度的變化。
１ 封裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計
針對高壓大功率芯片的封裝結(jié)構(gòu)，選用 ＴＯ－３封裝，其封裝外形和封裝結(jié)構(gòu)的內(nèi)部剖面圖如圖１所示。
圖１ ＴＯ－３封裝結(jié)構(gòu)
芯片的封裝是指利用微細(xì)加工技術(shù)，將芯片及其他相 關(guān)部分固定在框架或基板上，引出接線端子并通過可塑性 絕緣介質(zhì)灌封固定，以構(gòu)成整體立體結(jié)構(gòu)的一種工藝。封裝的基本工藝流程包括如下幾步：芯片切割、芯片貼裝、芯片鍵合、成型、上焊錫和打碼等。從圖中可以看出，封裝結(jié)構(gòu)主要由六部分組成，分別是基板、粘結(jié)層、芯片、引腳、 引線和封裝外殼。
基于 ＴＯ－３的封裝結(jié)構(gòu)，利用 ＦｌｏＴＨＥＲＭ 熱分析軟件建立封裝模型，對模型進(jìn)行仿真，為了簡化仿真，這里做一個近似，實際封裝中引線的形狀是彎曲的，根據(jù)引線的實際長度進(jìn)行簡化，使其與坐標(biāo)軸平行，并且由于引線的數(shù)量很多，詳細(xì)建模會耗費太多的計算資源，通過８個具有各向異性的長方體（ｃｕｂｏｉｄ）來簡化引線。模型中所設(shè)置的各組成部分的幾何尺寸如表１所示。
表１ 模型各組成部分的幾何尺寸 （ｍｍ）
２ 封裝模型的熱仿真分析
2.1 仿真條件的設(shè)置
基于實際的情況，仿真環(huán)境和邊界條件分別設(shè)置為：１）環(huán)境溫度為２７℃；２）采用強(qiáng)迫空氣對流，芯片表面和基板表面都是通過風(fēng)扇 進(jìn) 行 對 流，忽略輻 射散熱，換熱系數(shù)為 １０ Ｗ／ｍ２·Ｋ；３）熱源的結(jié)構(gòu)定義為 ６．３×６．３× ０．０７５ｍｍ的立方體，由于該芯片的工作電壓為７０Ｖ，輸出電流為９Ａ，靜態(tài)功耗為１２５Ｗ，故定義模型中有源區(qū)的 功率為１２５ Ｗ。由于考慮基板和封裝外殼的熱傳導(dǎo)，對基板和封裝外殼進(jìn)行網(wǎng)格約束，在基板厚度方向和封裝外殼厚度方向至少設(shè)置３個網(wǎng)格，這里皆設(shè) 置 為１０，并且設(shè)置膨脹網(wǎng)格的距離為５％，保證系統(tǒng)網(wǎng)格在各模塊之間平滑過度。
2.2 不同的基板材料、封裝外殼材料對芯片散熱的影響
基于 ＴＯ－３的封裝結(jié)構(gòu)，這里分別選取四種常用的基板材料和封裝外殼材料，將四種基板材料或封裝外殼材料依次嵌入仿真模型中進(jìn)行仿真，當(dāng)仿真不同的基板材料對芯片溫度的影響時，除了基板材料，模型其它組成部分的具體參數(shù)不變，同理，當(dāng)仿真不同的封裝外殼材料對芯片 溫度的影響時，除了封裝外殼材料，模型其它組成部分的具體參數(shù)保持不變，選取的四種基板材料和封裝外殼如表２所示。
表２ 四種基板材料和四種封裝外殼的參數(shù)
先仿真不同的基板材料對芯片溫度的影響，將模型中 基板模塊的材料屬性先定義為硅進(jìn)行仿真，再定義為 ＡｌＮ 進(jìn)行 仿 真，然后又定義為ＢｅＯ 進(jìn)行仿 真，最后定義為 Ａｌ２Ｏ３進(jìn)行仿真；然后仿真不同的封裝外殼材料對芯片溫度的影響，以環(huán)氧樹脂、ＡｌＳｉ、銅、鋁的順序分別進(jìn)行仿真， 仿真結(jié)果如圖２所示。
從圖２可以得到，當(dāng)基板材料為 Ａｌ２Ｏ３ 時，溫度最高， 為１４０．８２℃，Ａｌ２Ｏ３ 的熱導(dǎo)率是四種基板材料中最低的， 基板材料為 ＢｅＯ 時，溫度最低，為１３５．８１５ ℃，ＢｅＯ 的熱導(dǎo) 率是四種基板材料中最高的；當(dāng)封裝外殼為環(huán)氧樹脂時，封裝體的溫度最高，溫度為１４１．２７２℃，環(huán)氧樹脂的熱導(dǎo)率是四種封裝外殼材料中最低的，封裝外殼為銅時，溫度最低， 為１３５．８１５℃，銅的熱導(dǎo)率是四種封裝外殼材料中最高的。因此，從圖２中可以知道，材料的熱導(dǎo)率越高，封裝結(jié)構(gòu)的溫度越低，散熱效果越好。
圖２ 仿真不同基板材料、封裝外殼的溫度監(jiān)控曲線
2.3 芯片溫度隨功率變化、基板厚度、粘結(jié)層厚度的變化
當(dāng)芯片的功率發(fā)生變化時，芯片的溫度會改變，設(shè)置芯片的功率從 １１０ Ｗ 變到 １３０ Ｗ，分別仿真了環(huán)境溫度為２７℃和８５ ℃時芯片溫度隨功率變化的情況，仿真結(jié)果如 圖３所示。
圖３ 芯片溫度隨功率的變化
從圖３知，封裝體的溫度隨芯片功率的增加而升高，功率越大，芯片的溫度越高。
為了研究芯片溫度隨基板厚度的變化情況，這里設(shè)置 基板厚度從１～２０ｍｍ，對表２中的四種基板材料進(jìn)行仿真 對比，結(jié)果如圖４所示。
圖４ 芯片溫度隨基板厚度的變化
從圖４得到，在１～２０ｍｍ 之間，芯片的溫度隨基板厚度的增加而降低，基板越薄，芯片的溫度越高，變化越急劇， 隨著基板厚度的增加，溫度逐漸降低，且溫度的變化越來越來緩慢，從圖４也可以看出，基板材料的熱導(dǎo)率越高，散熱特性越好。
粘結(jié)層的作用是將芯片固定于封裝基板上，由于其熱 導(dǎo)率較低，芯片散熱受到很大限制，其厚度的改變對芯片的散熱也有很大的影響，為了研究粘結(jié)層厚度對芯片散熱的影響，設(shè)置粘結(jié)層的厚度從０．０１５ｍｍ 到０．０８５ｍｍ，對模 型進(jìn)行仿真。并且這里選擇了三種粘結(jié)層材料進(jìn)行對比仿真，分別是錫鉛銀、導(dǎo)電環(huán)氧樹脂、ＡｕＳｎ２０，其熱導(dǎo)率分別為５０Ｗ／（ｍ·Ｋ）、０．８Ｗ／（ｍ·Ｋ）、５７Ｗ／（ｍ·Ｋ）。仿真結(jié)果如圖５所示。
圖５ 芯片溫度隨粘結(jié)層厚度的變化
從圖５得到，芯片的溫度隨著粘結(jié)層厚度的增加而升 高，并且粘結(jié)層材料的熱導(dǎo)率越低，芯片的溫度上升越快，材料的熱導(dǎo)率越高，散熱特性越好，芯片溫度的變化相對緩慢。
2.4 仿真結(jié)果的分析
由仿真結(jié)果知，芯片的溫度隨功率和粘結(jié)層厚度的增 加而升高，隨基板厚度的增加而降低；并且材料的熱導(dǎo)率越高，其散熱效果越好。從仿真結(jié)果得到，當(dāng)模型中的基板材料為銅、封裝外殼為 ＢｅＯ，粘結(jié)層 為 ＡｕＳｎ２０時，散熱效果最佳，模型中各組成部分的具體參數(shù)如表３所示。
表３ 模型各組成部分的材料和熱導(dǎo)率
對模型進(jìn)行熱仿真，其溫度顯示平面圖如圖６所示。
圖６ 整體封裝結(jié)構(gòu)的熱場分布仿真結(jié)果
從圖６可以看出，最高溫度為１３６℃，位于芯片有源區(qū)的中央，向四周溫度逐漸降低，從圖６ｃ可以看出，溫度沿著基板方向逐漸降低，傳熱的路徑為芯片到粘結(jié)層，粘結(jié)層到基板，最后傳到環(huán)境中，圖中紅色表示最高溫度區(qū)域。若把銅金屬外殼換成環(huán)氧樹脂外殼，其溫度顯示平面圖將如圖７所示。
圖７ 模型中用環(huán)氧樹脂做外殼時的溫度顯示平面圖
從圖７可以看出，若把封裝外殼材料換成環(huán)氧樹脂，封 裝體的溫度變高，從１３６ ℃升到１３９ ℃，溫度上升了３℃， 環(huán)氧樹脂的熱導(dǎo)率比銅要低很多，熱導(dǎo) 率越低，傳熱越困難，芯片的溫度越高。若把基板材料換為 ＡｌＮ，其溫度顯示平面圖將如圖８所示。
圖８ 模型中用 ＡｌＮ 做基板材料時的溫度顯示平面圖
從圖８可以看出，當(dāng)基板材料由 ＢｅＯ 陶瓷基板更換為 ＡｌＮ 陶瓷基板時，封裝模型的溫度變?yōu)椋保常贰?，比基板材?為 ＢｅＯ 時升高了１ ℃，可以看出，基板材料熱導(dǎo)率的高低 對散熱有很大的影響。在對模型整體結(jié)構(gòu)的仿真過程中， 各組成模塊幾何尺寸的設(shè)置如表１所示，由圖４、５知，增加基板厚度和稍微減小粘結(jié)層的厚度，封裝體的溫度將會更低，根據(jù)實際封裝的需要，選取合適基板的厚度、粘結(jié)層的 厚度以及封裝外殼材料，便可以得到一套散熱效果較佳的 封裝方案。
3 結(jié)論
本文分別仿真了不同基板材料、不同封裝外殼材料對 芯片散熱的影響以及仿真了芯片溫度隨功率、基板厚度以及粘結(jié)層厚度的變化，最后得出一個散熱較好的封裝方案。結(jié)果表明：基板材料和封裝外殼的熱導(dǎo)率越高，其散熱效果越好；封裝體的溫度隨基板厚度增加而降低，隨功率的增加和粘結(jié)層厚度的增加而升高；最后得出散熱效果最佳的封裝方案為采用 ＢｅＯ 陶瓷材料做基板、ＡｕＳｎ２０材料做粘結(jié)焊料、銅做封裝外殼。
來源：電子測量技術(shù)
作者：楊勛勇１ 楊發(fā)順１ 胡 銳２ 陳 瀟２ 馬 奎１
１．貴州大學(xué)大數(shù)據(jù)與信息工程學(xué)院
２．貴州振華風(fēng)光半導(dǎo)體有限公司
