功率分立器件封装热阻与热可靠性试验数值模拟研究

功率器件控制电气驱动不可避免地会有频繁的开通和关断过程，此过程会产生大量的功率耗散并以热的形式自芯片向外传导。因而功率器件封装的热阻要求和可靠性考核标准较IC器件更严格。 首先，本文依据JEDEC51-1和51-2A标准采用电学测量方法对功率器件热管理的重要参数-封装热阻进行了测量，同时校准了不同IGBT与功率MOSFET器件的温度敏感参数，优化了电学热阻测试方法。随后对典型的功率器件封装体(TO-247、TO-220FP、TO-3P)和结-环境热阻测试箱进行建模，采用计算流体动力学软件FloTHERM分析了稳定功率耗散条件下，三种封装类型插装条件下的结-环境热阻。实验结果、仿真结果以及商用封装产品标识值间误差在合理范围以内，说明仿真参数和测试系统基本可靠。 其后，为研究温度变化对封装体内部结构的影响，采用了ANSYSWorkbench软件对温度循环和热冲击过程中功率分立器件内部应力场进行了有限元仿真求解；模拟分别采用了静力结构分析和顺序热-结构耦合分析方法，实验设计比较了不同的焊料材料和芯片尺寸参数以及封装缺陷对封装内部应力的影响。结果表明，封装缺陷会改变封装体内部应力分布状况，形成温度循环失效隐患；芯片减薄能减小循环热冲击过程中芯片和焊料层的内部应力；传统的高铅焊料和绿色无铅焊料相比，低的形变抗力导致了温度循环中塑性应变的积累更快，温度循环可靠性寿命更低。