基于ANSYS的芯片散熱性能分析

吳迪 李陽 馬奔馳

摘? 要：以某功率器件產品為例，通過熱成像儀測試了該產品在正常工作條件下的管芯溫度分布;基于ANSYS軟件建立起該產品熱仿真模型，分析了該產品的散熱性能，并將實驗結果與仿真結果進行對比，驗證了仿真模型的正確性;最后，在上述模型的基礎上，分析了載體材料及厚度對于該功率器件散熱性能的影響，為該產品的工藝設計提供指導。

關鍵詞：功率器件;熱成像儀;ANSYS軟件;散熱性能

中圖分類號：TN32? ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）22-0054-04

Analysis of Chip Heat Dissipation Performance Based on the ANSYS

WU Di，LI Yang，MA Benchi

（The 55th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Nanjing? 210016，China）

Abstract：Taking a certain power device product as an example，the die temperature distribution of the product under normal operating conditions was tested by a thermal imager;the thermal simulation model of the product was established based on ANSYS software，the heat dissipation performance of the product was analyzed，and the experimental results were compared with the simulation results to verify the correctness of the simulation model;finally，based on the above model，the influence of the carrier material and thickness on the heat dissipation performance of the power device was analyzed to provide guidance for the process design of the product.

Keywords：power device;thermal imager;ANSYS software;heat dissipation performance

0? 引? 言

微波功率器件作為半導體器件的代表器件之一，集高頻率、大功率以及高效能等優勢[1]于一體，在電子通信、衛星雷達以及國防軍事等領域得到了廣泛的應用。

由于功率器件大多應用在極其惡劣的環境中，為保證功率器件長期有效的使用，提升功率器件的可靠性是目前功率半導體產業不得不考慮的一個重要問題。美國空軍航空電子就電子產品失效問題進行了研究[2]，結果如圖1所示，導致電子產品失效的因素主要包括粉塵、濕度、振動、溫度四大類，其中溫度占比最高，是造成電子產品失效的最主要的因素。

溫度的升高會對功率器件造成不利的影響[3]：

（1）高溫條件下，器件中的HFE較大，容易引起工作點漂移、增益不穩等現象，造成器件性能的不穩定，產生漂移失效;

（2）溫度升高會導致器件中的ICBO與ICEO反向電流增大，引起IC電流增大，IC增大又會使得ICBO與ICEO變大，形成惡性循環，直到器件燒毀;

（3）器件內各層材料之間的熱膨脹系數存在差異，溫度升高會使整個器件的各個連接層承受較大熱應力，易引起材料和結構的損傷，產生鍵合線脫落、焊層分層等不利現象，降低器件的可靠性[4]。

由于溫度直接影響功率器件可靠性，進而影響功率器件的服役性能，因此，散熱分析已成為功率器件結構設計中不得不考慮的一個問題了。由于作者單位之前通過不斷的選材試驗以滿足產品熱設計要求，這種方式成本較高，耗費人力物力。在此背景下，作者單位開始對功率器件散熱性能展開仿真分析研究，通過ANSYS軟件分析不同裝配材料對于器件結溫的影響，避免了大量重復性的熱性能實驗，也為產品熱設計提供有力的參考依據。為此，作者本人以某功率器件產品為例，深入分析裝配材料對于器件散熱性能的影響。

1? 基于紅外熱成像儀的功率器件溫度測量

1.1? 紅外熱成像儀簡介

紅外熱成像儀的組成如圖2所示，主要由光學系統、紅外探測器、信號處理系統以及圖像顯示系統四部分。其中，光學系統包括鏡頭和對焦機構組，它的功能是將紅外輻射匯聚到紅外探測器上;紅外探測器是紅外熱成像儀的傳感器，紅外傳感器通過熱釋電元件將光信號轉變為電信號;隨后，這個電信號被傳輸進入信號處理系統，信號處理系統再對其進行降噪和放大處理，將輻射能量與被測物體的表面溫度對應起來;最終，在圖像顯示系統上形成被測物體表面的溫度分布圖[5]。

1.2? 實驗結果

該功率器件管芯具有對稱性，選取外側和中心兩個芯片進行測試。從圖3、圖4可以看出，該功率器件的主要產熱區域是芯片，芯片的結溫要遠高于周邊電容、陶瓷電路的溫度，整個模塊的溫度分布由芯片向器件外側遞減。分別提取管芯軸線上的溫度，其中：外側管芯的最高溫度為123.55 ℃，內側管芯的最高溫度為125.33 ℃。外側芯片的溫度較低，內側芯片的溫度較高，這是多熱源耦合的結果。

2? 基于ANSYS的散熱仿真

2.1? 熱仿真模型

一個功率器件中往往會集成多個功率半導體芯片，芯片在工作中產生的熱量在各層之間通過熱傳導傳遞到管殼中，并由管殼與外部環境的對流換熱將熱量散發出去。本文使用ANSYS軟件對功率器件進行有限元模擬，器件的幾何模型如圖5所示。對參照該產品的尺寸參數進行簡化，具體尺寸參數及材料性能參數如表1所示。

在ANSYS傳熱學中作出以下假設：

（1）焊層沒有空洞，焊料均勻分布;

（2）芯片產生的熱量僅取決于器件的功耗，且芯片產生的熱量均勻分布在芯片內部;

（3）由于Cu的輻射率僅為0.03，并且元器件各層的溫度并不高，輻射傳熱對于散熱產生的影響很小，不到總熱量的百分之一，所以在仿真中僅考慮傳導和對流;

（4）假設器件內各層材料均是理想接觸，各層之間均無接觸熱阻;

（5）假設器件內各層材料參數不會隨著溫度變化而改變。

結合功率器件工作在穩態的特點，選取管芯功耗作為載荷加載到熱仿真模型上。對于該產品，管芯的平均功耗為125 W。

2.2? 仿真結果分析

為了與熱阻測試相對應，模擬熱相測試時的邊界條件，即恒溫載物臺恒定為70 ℃，外殼與空氣接觸的表面對流系數設為10 W/（m2·K），周圍空氣溫度固定為20 ℃。圖6～圖9是125 W耗散功率下的器件穩態溫度場云圖。

由圖6可知，穩態工作時，該功率器件內部溫度分布并不均勻，溫差較大。由圖7可以看出，外側芯片表面溫度較低，內側芯片的表面溫度較高。芯片的最高結溫為122.14 ℃，出現在內側芯片上，稍偏向管殼中心位置;最低溫度為95.307 ℃，出現在外側芯片的靠近管殼邊緣位置。

由于GaAs芯片的臨界溫度為Tjmax=175 ℃，管芯溫度不能超過其臨界結溫，否則容易引起芯片的擊穿。從圖7中可以看出GaAs芯片的最高結溫為122.14 ℃，小于最差條件下的臨界溫度，故該功率管在熱設計方面的可靠性可以得到保證，器件可以正常工作。

從圖8、圖9中可以看出，外側芯片的最高溫度為119.33 ℃，實驗中熱成像儀測得的管芯最高溫度為123.55 ℃，誤差為3.42%;內側芯片的最高溫度為122.14 ℃，熱成像儀測得的管芯最高溫度為125.33 ℃，誤差為2.55%，均在5%以內。

分別提取有限元與實驗中外側管芯的中心線溫度分布，如圖10、圖11所示。在外側管芯中，管芯外側處的溫度與實驗誤差較大，最大誤差為7.56%;在內側管芯中，管芯中心處的溫度與實驗誤差較大，最大誤差為4.15%，驗證了熱仿真模型的合理性。

3? 功率器件因素對散熱性能影響

考慮到功率器件的散熱性能與各層材料、結構有關。載體作為芯片散熱的重要路徑之一，載體的材料及厚度會對器件的散熱產生重大影響，接下來將分析載體材料及厚度對器件最高溫度的影響，并選擇GaAs芯片的臨界溫度作為參考依據。

對于功率器件而言，芯片產生的熱量向環境傳遞的導熱通道中，載體是主要材料之一。載體的材料直接影響著熱導率，繼而改變散熱通道的熱阻，使得器件的散熱性能存在差異。同時載體的厚度也會改變器件散熱通道的熱阻，散熱效果也會有所不同。因此有必要分析載體材料及其厚度對器件散熱性的影響。對不同載體材料（無氧銅、鉬銅、CPC、鎢銅）以及載體不同厚度（0.2～0.7 mm）進行仿真，獲得載體材料及厚度對管芯最高結溫的影響規律。載體材料屬性如表2所示。

載體材料及厚度對器件最高結溫的影響規律如圖12所示。從圖12中可以看出，相同功耗下，四種載體材料的最高結溫均小于GaAs芯片的臨界溫度Tjmax，芯片均可以正常工作。但當載體材料為無氧銅時，芯片的最高結溫最低，能使器件溫度場的分布得以改善，這是因為銅具有相對較高的熱導率。因此，在功率器件設計時，在充分考慮其他條件下，可以選用熱導率較大的材料，對于改善器件溫度場分布以及芯片的最高結溫效果顯著。

鎢銅、鉬銅載體的熱導率較低，芯片的最高結溫隨載體厚度的增加逐漸增加;CPC、銅的熱導率相對較高，芯片的最高結溫隨著載體厚度的增加先減小后增加。厚度增加，最高結溫下降主要是因為載體面積比芯片面積大，致使載體整個區域范圍內的溫度分布并不均勻，在熱源范圍內，會使得局部溫度較高，也就產生了擴展熱阻[6]，當兩種熱阻同時存在時，整體熱阻的改變取決于哪種熱阻占據主導地位。當載體導熱性能較差時，整體熱阻取決于導熱熱阻的變化，隨著載體厚度增大，整體熱阻逐漸提高，散熱性能相應降低;當載體導熱性能較好時，整體熱阻取決于擴展熱阻的變化，隨著載體厚度增大，擴展熱阻逐漸降低，散熱性能相應提高。從圖12可以看出，在0.2～0.5 mm內，銅的擴展熱阻占據主導地位，整體熱阻逐漸降低，使得器件最高結溫逐漸下降;在0.5～0.7 mm內，導熱熱阻占主導地位，整體熱阻逐漸增大，使得器件的最高結溫逐漸提高。

4? 結? 論

本文分析了某功率器件的散熱性能，通過熱成像儀監測了管芯溫度，并采用有限元軟件ANSYS建立了該功率器件的熱仿真模型，將仿真結果與實驗結果對比，驗證了仿真模型的正確性，繼而分析了載體材料及厚度對功率器件散熱性能的影響，為后續該功率器件材料的選取提供了指導，避免了重復性的熱性能實驗，節約了成本。

參考文獻：

[1] 李恩玲，周如培.IGBT的發展現狀及應用 [J].半導體雜志，1998，23（3）：48-51.

[2] 王彥剛，武力，崔雪青，等.IGBT模塊封裝熱應力研究 [J].電力電子技術，2000，34（6）：52-54+39.

[3] 陳明，胡安，劉賓禮.絕緣柵雙極型晶體管失效機理與壽命預測模型分析 [J].西安交通大學學報，2011，45（10）：65-71.

[4] THEBAUD J M，WOIRGARD E，ZARDINI C，et al. Strategy for designing accelerated aging tests to evaluate igbt power modules lifetime in real operation mode [J].IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies，2003，26（2）：429-438.

[5] 楊立，楊楨.紅外熱成像測溫原理與技術 [M].北京：科學出版社，2012.

[6] ELLISON G N. Maximum thermal spreading resistance for rectangular sources and plates with nonunity aspect ratios [J].IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies，2003，26（2）：439-454.

作者簡介：吳迪（1995—），男，漢族，安徽合肥人，助理工程師，碩士研究生，研究方向：功率器件熱仿真、功率器件新工藝開發等。