功率模块封装的热阻、结温与寿命
MMC-HVDC系统功率器件的结温估算与寿命预测
第37卷第5期2021年5月电网与清洁能源Power System and Clean EnergyVol.37No.5May 2021——————————基金项目：南方电网公司科技项目（0100002019010706WD00026）。
Project Supported by the Science and Technology Program of ChinaSouthern Power Grid Corporation （0100002019010706WD00026）.ABSTRACT ：It is difficult to monitor the health of half-bridge power module in the flexible DC transmission system with modular multilevel structure.A real-time monitoring method of junctiontemperature and a life loss assessment method of power moduledevices are proposed in this paper.First ，the calculation method ofpower loss of the half-bridge power module is studied ，the thermal resistance model of the power device level is established ，and the real-time monitoring method of the junction temperature of the module is studied.Second ，Lesit life model and linear damage accumulation theory are used to quantitatively study the module life loss.The results show that power fluctuation is an important causeof IGBT damage.Finally ，the loading experiment of the power module is carried out ，and the simulation results of the junction temperature and life prediction method are basically consistent with the experimental results.KEY WORDS ：modular multilevel ；half-bridge power module ；junction temperature ；thermal resistance models ；life prediction摘要：柔性直流输电系统采用模块化多电平结构，半桥功率模块的寿命预测较为困难，提出了一种功率模块器件的结温实时监测方法及寿命耗损的评估方法。
功率MOSFET封装热阻测试及其优化设计
功率MOSFET封装热阻测试及其优化设计刘志红莫亭亭摘要：功率半导体器件是集成电路的重要组成部分，是电力电子技术的基础。
本文对功率MOSFET的热阻进行了测试，得到了SOP8封装的功率MOSFET器件的结壳热阻和结到环境热阻。
使用有限元热仿真分析，分析了影响SOP8热阻的因素，在分析结果基础上改善了SOP8封装的功率MOSFET器件的热阻性能。
为后续芯片封装结构优化提供参考。
关键词：封装热阻；功率器件；有限元仿真；热阻测试；结温Abstract：Power semiconductor device is an important part of integrated circuit，and it is the foundation of power electronic technology.I In this paper，the thermal resistance of power MOSFET is tested，and get the thermal resistance of junction to case and junction to ambient for SOP package.Finite element thermal simulation was used to analyze the factors affecting SOP8 thermal resistance.Based on the analysis，thermal resistance of SOP8packaged MOSFET was improved.It provides a reference for the subsequent optimization of chip packaging structure.KEY WORDS：thermal resistance of package，power device，finite element simulation，thermal resistance test，junction temperature1引言自从进入20世纪以来，人类正式迈入信息时代。
功率模块封装材料
功率模块封装材料功率模块是一种用于控制和转换电能的重要组件，广泛应用于电子设备和工业自动化领域。
功率模块的封装材料对其性能和可靠性有着重要影响。
本文将介绍几种常见的功率模块封装材料，包括陶瓷、塑料和金属。
1. 陶瓷封装材料陶瓷封装材料是一种常见的功率模块封装材料，具有优良的电绝缘性能和高温耐受性。
陶瓷材料通常具有较低的热膨胀系数，能够在高温下保持封装的稳定性。
此外，陶瓷材料还具有良好的抗腐蚀性能和机械强度，能够有效保护功率模块内部的电子元件。
2. 塑料封装材料塑料封装材料是功率模块常用的封装材料之一，主要由高分子化合物制成。
塑料材料通常具有较低的成本和较好的可加工性，可以通过注塑或挤出等工艺制作成各种形状的封装。
然而，塑料材料的导热性能相对较差，不适合高功率应用，容易造成温度过高而影响功率模块的性能和寿命。
3. 金属封装材料金属封装材料是功率模块的常见封装选择之一，主要由铝、铜等导热性能较好的金属制成。
金属封装材料具有良好的导热性能和机械强度，能够有效地传递和散发功率模块产生的热量。
此外，金属材料还具有良好的抗腐蚀性和电磁屏蔽性能，能够有效保护功率模块内部的电子元件。
4. 复合封装材料为了综合利用各种材料的优点，一些功率模块采用了复合封装材料。
复合封装材料通常由不同种类的材料组合而成，可以在满足导热性能的同时具有较好的电绝缘性能和机械强度。
例如，采用陶瓷基板与金属封装相结合，可以同时实现优良的导热性能和可靠的电绝缘性能。
功率模块封装材料的选择应根据具体应用需求来进行。
陶瓷材料适用于高温环境和对电绝缘性能要求较高的场合；塑料材料适用于低功率和低成本的应用；金属材料适用于高功率和较高可靠性要求的应用。
对于一些特殊需求，可以选择复合封装材料以获得更好的综合性能。
在功率模块设计和制造过程中，正确选择和使用封装材料是确保功率模块性能和可靠性的重要因素之一。
电机功率器件的结温估算
电机功率器件的结温估算
在电机功率器件的运行过程中，结温是一个重要的参数，它直接影响到器件的可靠性和使用寿命。
因此，估算电机功率器件的结温具有重要的意义。
本文将介绍两种估算电机功率器件结温的方法：热阻法和有限元法。
1.热阻法
热阻法是一种基于热阻网络模型估算电机功率器件结温的方法。
该方法将电机功率器件视为一个热阻网络，由半导体材料、绝缘材料和金属材料等组成。
通过测量各部分热阻，可以估算出器件的结温。
热阻法的优点是简单、快速、易于实现。
但是，该方法假设电机功率器件的热阻为线性，忽略了器件内部复杂的热流和热阻分布，因此估算结果可能存在误差。
2.有限元法
有限元法是一种基于数值模拟的估算电机功率器件结温的方法。
该方法通过建立电机功率器件的三维有限元模型，模拟器件内部的热流和温度分布，从而得到器件的结温。
有限元法的优点是精度高、适用范围广，可以考虑到电机功率器件内部复杂的热流和热阻分布。
但是，该方法需要较长时间的计算和建模，对于实时控制和保护系统的设计可能存在一定的挑战。
结论
本文介绍了两种估算电机功率器件结温的方法：热阻法和有限元法。
热阻法简单、快速、易于实现，但忽略了器件内部复杂的热流和热阻分布，估算结果可能存在误差；有限元法精度高、适用范围广，但需要较长时间的计算和建模。
在实际应用中，应根据具体需求选择合适的估算方法。
关于热阻设计参考
80
10
1250
1560
53
335
420
95
26
1050
1315
43
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490
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9
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45
5
2220
2775
[Ψjt 计算公式]
jt
Tj Ta TC1 K VF Ta
VH IH
VH IH
[用语说明] VH：加在 TEG 芯片内部电阻的电压 IH：稳定时在 TEG 芯片内部电阻流动的电流
TC1 [℃／Ｗ] VF
VF 0 VFSS
Ver.2013-07-23
-4-
关于热阻
[最大容许功率 Pd] IC 在常温(25℃以下)时的最大容许损失是用各 IC 的绝对最大定额消耗功率(Pd)来规定的。 环境温度超过 25℃时，就需变为对应各 IC 封装的热下降曲线(Derating Curve)。 以下显示的是一般的热下降曲线。
＋
芯片抽象图
等价电路图
図 3 测量电路板概略图
[Ｋ系数]
为了求热阻，就必须要知道结温，但是又不能直接测量结温。
可是，利用结温和二极管順方向电压(VF)的温度依赖关系，可以得知结温。 VF 是温度的一次性函数，它的倾斜率称作 K 系数。
IGBT 功率模块封装失效机理及监测方法综述
1 引言2060 年中国将实现“碳中和”的目标，高效利用绿色能源是实现这一目标的重要途径。
功率模块是实现绿色能源转换的重要部件，绝缘栅门极晶体管( Insulated Gate Bipolar Translator，IGBT) 作为使用频率最高的电源转换芯片，是出现故障频率最高的器件，其失效机理及检测方式被大量研究。
可靠的封装为芯片工作提供稳定的电气连接、良好的绝缘性能和充分的抗干扰能力，是IGBT 功率模块可靠性的重要组成部分。
现在被主流使用的封装形式有焊接型和压接型封装。
两种封装结构在功率密度、串并联能力、制造费用、封装可靠性和散热能力等方面有所不同，其性能对比如图 1 所示。
由于压接型封装具有双面冷却和失效自短路效应，其在散热、可靠性及串联能力上优于焊接型封装，因此被广泛用于高功率密度场合，如高压电网和高功率机械设备，但封装复杂笨重。
焊接型封装结构因其制造工艺简单、成本低和并联能力强被广泛使用在中低功率密度场合，如消费电子、汽车电子。
两种封装结构导致了不同的失效机理，但其本质多是IGBT 芯片工作产生的热量未即时耗散，引起温度梯度，最终导致的封装材料疲劳致使失效。
因此，本文首先对两种IGBT 功率模块封装结构及失效机理进行阐述，然后对IGBT 功率模块封装失效监测方法进行了分析，最后提出IGBT 功率模块封装可靠性及失效监测存在的问题和发展方向。
2 IGBT 功率模块封装结构及失效机理2. 1 焊接型IGBT 功率模块封装结构及失效机理2. 1. 1 焊接型IGBT 功率模块封装结构自1975 年，焊接型IGBT 功率模块封装被提出，便被广泛使用，其典型封装结构如图 2 所示。
其中，直接覆铜陶瓷板( Direct Bonded Copper，DBC)由上铜层、陶瓷板和下铜层组成，其一方面实现对IGBT 芯片和续流二极管的固定和电气连接，另一方面形成了模块散热的主要通道。
欲加入IGBT交流群，加VX：tuoke08。
IGBT模块功率循环疲劳寿命预测
IGBT模块功率循环疲劳寿命预测姚二现;庄伟东;常海萍【摘要】随着IGBT功率模块的广泛应用,其功率循环可靠性问题得到关注和重视.介绍了模块的功率循环失效机理,指出铝键合线剥离是模块功率循环失效的原因;基于有限元法计算了模块在功率循环过程中的温度分布与变化,并在此基础上计算了模块的应力应变:根据应力应变数值的计算结果,分别采用应变能法和应变法等两种疲劳破坏准则,预测了键合线疲劳寿命.研究表明,铝键合线根部为模块的疲劳危险区:随着芯片热损耗的增加,芯片结温变化幅度的增加,功率模块疲劳寿命急剧地减小.【期刊名称】《电子产品可靠性与环境试验》【年(卷),期】2013(031)002【总页数】6页(P12-17)【关键词】功率循环;铝键合线;有限元法;疲劳寿命【作者】姚二现;庄伟东;常海萍【作者单位】南京航空航天大学能源与动力学院江苏南京210015【正文语种】中文【中图分类】TN4070 引言IGBT功率模块的封装正朝着低成本、小尺寸、高性能以及高可靠性发展。
丝键合工艺是最早发展起来的、用于芯片与外界互连的技术；由于采用丝键合工艺可以通过改变连接线弧的形状和距离，使多种器件能使用同一基板和外壳，现在仍在模块封装工艺中占绝对的统治地位。
常用的键合线材料有金、铜和铝3种，由于成本优势，铝是普遍应用的键合线材料。
据统计，引线键合造成的失效占到半导体器件的失效的49%[1]，可见键合线的可靠性对整个模块的可靠性的影响是非常关键的。
对功率模块铝键合线可靠性，国内外目前的研究不多，Ramminger[2]等从引线键合工艺产生的机械应力的角度讨论了铝线的引脚跟断裂问题，分析了热膨胀系数失配对失效的影响，并从断裂力学的角度提出了应变能破坏准则来确定裂纹扩展方向。
Koji Sasaki与 Naoko Iwasa[3]利用裂纹张开位移（COD）研究了二维状态下键合线的裂纹扩展寿命。
铝键合线功率循环寿命可根据疲劳破坏进程分为3个阶段：裂纹萌生、裂纹扩展和失稳剥离。
功率VDMOS器件封装热阻及热传导过程分析
功率VDMOS器件封装热阻及热传导过程分析高巍;殷鹏飞;李泽宏;张金平;任敏【摘要】热阻是反映电子器件结温的关键热参数,也是指导用户在复杂应用环境中设计热特性的关键参数.本文研究了ITO-220AB封装器件由内至外不同分层材料特性对于器件热阻及热传导的影响.通过测量四种规格VDMOS器件结到环境热阻(Rthj-a)及结到管壳热阻(Rthj-c),并采用结构函数分析法,分析热量从芯片到管壳外的热传导过程发现,随着芯片面积的增大,热阻线性减小,利于器件散热;芯片与框架间过厚的焊锡层非常不利于热量的传导;铜框架厚度间接影响了外部包裹树脂厚度,从而改变了树脂所占器件热阻Rthj-c的比例,树脂材料越厚,器件热阻会明显增大.【期刊名称】《电子元件与材料》【年(卷),期】2018(037)007【总页数】6页(P29-34)【关键词】热阻;结温;VDMOS;ITO-220AB;热传导;焊锡【作者】高巍;殷鹏飞;李泽宏;张金平;任敏【作者单位】电子科技大学电子科学与工程学院, 四川成都 610054;电子科技大学电子科学与工程学院, 四川成都 610054;电子科技大学电子科学与工程学院, 四川成都 610054;电子科技大学电子科学与工程学院, 四川成都 610054;电子科技大学电子科学与工程学院, 四川成都 610054【正文语种】中文【中图分类】TN305.94功率VDMOS器件被广泛应用于电子电力、微波通信以及军事国防等领域,是中小功率领域内主流的半导体开关器件。
随着功率VDMOS器件的发展,工作电流不断增加,开关频率逐渐增大,对于器件发热的控制及传导的分析变得越来越重要。
热因素可导致接近60% 的器件损坏且工作温度每上升10℃,器件损坏的概率就增大了接近两倍[1]。
因此获得器件封装内部的热传导过程以及结温的准确信息,对提高器件工作性能、可靠性和改善封装热设计就变得非常重要[2-3]。
现在国内外对于功率器件如MOSFET、IGBT等的热阻研究有很多[4-6],但是,大部分主要集中在器件整体封装热阻值的测试方法及不同材料接触界面分层热阻,进而考虑器件热阻值对产品可靠性的影响。
封装可靠性和寿命分析
输入功率转化为： 白炽灯
可见光辐射能量 红外辐射能量 紫外辐射能量 辐射能量总和 热能 总和
5% 90% 0% 95% 5% 100%
荧光灯
23% 33% 3% 59% 41% 100%
金卤灯
27% 17% 19% 63% 37% 100%
白光LED
白光LED
（120 lm/W) （240 lm/W)
Weibull Distribution
e f（t）=
β
⎛ ⎜
t
β -1
⎞ ⎟
--⎜⎛
t
⎞β ⎟
⎝λ⎠
λ ⎝λ⎠
其中：β是无量纲，修正曲线的形状； λ是失效率； t 是时间。
Lifetime ExtrapolationⅠ（20mA on single chip）
Lifetime ExtrapolationⅡ（40mA on singl )
Tj(K)
L70（hr）
83
356
62000
100
373
27000
113
386
9000
Lifetime Estimation and Analysis
LED灯具的寿命--- 系统概念
LED灯具成为一个系统，其可靠性几率同所有配件和 性能的失效率的加和有关：
R(t)
=
5 Ambient conditions
6 Test time 7 Case Temperature
8 Temperature Measurement 9 Measurement Tolerance &
Instruments Temperature Current Lumen Output Forward Voltage Chromaticity
SOP8功率MOSFET结壳热阻与封装可靠性研究
SOP8功率MOSFET结壳热阻与封装可靠性研究何成刚;朱岚涤;陈胜全;农百乐;刘吉华【期刊名称】《电子元件与材料》【年(卷),期】2024(43)3【摘要】为研究SOP8双MOS芯片结壳热阻与封装可靠性,建立了封装芯片模型。
运用有限元软件通过构建热-结构模块仿真了在EME-E115与CEL-1702HF两种塑封材料下的芯片结壳热阻情况,分析了热量在封装芯片内部的主要传递路径。
对比分析了两种塑封仿真下塑封料外壳体、MOSFET、引线框架的变形与应力情况,研究了粘接层厚度变化对MOSFET最大等效应力的影响。
研究结果表明,在SOP8双MOS芯片的内部,热量主要是沿着引线框架基板向塑封料底部进行传递。
粘接焊料增厚50μm,MOSFET结温增幅未超过0.1℃,结温点到塑封料底面中心的热阻升高约1.3℃·W^(-1)。
相比于EME-E115塑封料,使用CEL-1702HF塑封料进行封装仿真时,可使功率MOSFET的结壳热阻降低约20%,且芯片封装体在变形、应力方面均具有明显优势。
增大粘接焊料的厚度可以有效减小MOSFET的应力。
EME-E115与CEL-1702HF塑封下的MOSFEF最大等效应力在粘接焊料厚度分别超过40μm和50μm后均出现了返升的仿真结果。
【总页数】8页(P359-366)【作者】何成刚;朱岚涤;陈胜全;农百乐;刘吉华【作者单位】五邑大学轨道交通学院;佛山市艾乐博机器人股份有限公司【正文语种】中文【中图分类】TN306【相关文献】1.瑞萨科技发布用于功率MOSFET的LFPAK-I上表面散热型封装，安装热阻减小40％2.多芯片陶瓷封装的结-壳热阻分析方法3.混合功率运放结壳热阻测试方法研究4.热阻最小的功率MOSFET SC—70封装的产品大大改善了热阻5.采用高热效微型封装的20A和30A功率MOSFET 有助于大电流DC/DC转换器提高功率密度和可靠性因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
功率模块封装类型
功率模块封装类型功率模块封装主要分为以下几种类型：1. 引线框架型：将电子元件组装在引线框架上，然后通过焊接将引线框架与电路板相连。
2. 表面贴装型：将电子元件直接贴装在电路板上，并通过回流焊或波峰焊进行焊接。
3. 塑料封装型：将电子元件组装在塑料外壳内，并通过注塑或压塑等方式将外壳封装成型。
4. 金属封装型：将电子元件组装在金属外壳内，并通过焊接、铆接等方式将外壳封装成型。
5. DIP封装：是双列直插式封装（Dual Inline Package）的缩写，功率模块主要应用在通信、计算机、电器等领域。
优点是易于安装和维护，使用丝印标记方便读取，成本低，通用性强，但是封装体积较大，耐热性较差，不适合高功率应用。
6. 陶瓷封装型：将电子元件组装在陶瓷外壳内，并通过烧结或玻璃密封等方式将外壳封装成型。
这种封装类型主要用于高可靠性、高耐热性的应用场景，如航空航天、汽车电子等领域。
7. 金属外壳阵列封装型：将多个电子元件组装在一个金属外壳阵列中，并通过焊接、铆接等方式将外壳封装成型。
这种封装类型具有高集成度、高可靠性、易于散热等优点，但成本较高，主要用于高功率、高可靠性要求的应用场景，如电力电子、通信等领域。
8. 功率模块热沉封装型：将电子元件和热沉材料一起组装在封装外壳中，并通过焊接、铆接等方式将外壳封装成型。
这种封装类型主要用于高功率、高可靠性要求的应用场景，如电力电子、通信等领域。
热沉材料能够有效地将热量传导出去，提高功率模块的散热性能和可靠性。
9. 扁平封装型：将电子元件扁平封装在基板上，具有体积小、重量轻、传热性好等优点，但成本较高，主要用于高密度、高可靠性要求的应用场景，如微电子等领域。
10. 球栅阵列封装型：将电子元件安装在具有球形触点的基板上，具有高密度、高可靠性、低成本等优点，但焊接难度较大，主要用于高可靠性、高密度封装的应用场景，如微电子、汽车电子等领域。
11. 功率模块外壳阵列封装型：将多个电子元件和外壳阵列组装在一起，具有高集成度、高可靠性、易于散热等优点，但成本较高，主要用于高功率、高可靠性要求的应用场景，如电力电子、通信等领域。
《大功率LED结温与热阻测量研究》范文
《大功率LED结温与热阻测量研究》篇一一、引言随着LED（发光二极管）技术的不断发展和广泛应用，大功率LED成为了许多现代照明设备的主要光源。
然而，随着LED 的功率增大，其产生的热量也随之增加，对LED的结温与热阻的准确测量显得尤为重要。
本篇论文将深入探讨大功率LED的结温与热阻的测量方法及其重要性。
二、大功率LED结温与热阻的重要性结温与热阻是评价大功率LED性能的重要参数。
结温反映了LED芯片内部的温度，而热阻则描述了LED在产生热量时，热量从芯片传导到外部环境所遇到的阻力。
准确的结温和热阻数据对于优化LED的设计、提高其可靠性、延长使用寿命以及减少热失效具有重要意义。
三、大功率LED结温的测量方法1. 电学测量法：通过测量LED的正向电压和反向电流的变化，可以间接推算出结温。
这种方法简单易行，但只能得到粗略的结温值。
2. 光色测量法：通过测量LED的光通量、色度等参数的变化，可以推算出结温。
这种方法精度较高，但需要专业的设备和技术。
3. 热像仪测量法：利用红外热像仪直接测量LED表面的温度分布，从而推算出结温。
这种方法精度高，但成本较高。
四、大功率LED热阻的测量方法1. 稳态法：通过在特定条件下测量LED的温升，以及其内部的热阻抗，从而推算出热阻。
这种方法简单易行，但需要较长的测量时间。
2. 瞬态法：利用热脉冲法等瞬态测量技术，通过分析LED在脉冲期间的温度变化，快速得出热阻值。
这种方法测量速度快，但需要较高的技术要求。
五、实验设计与实施本实验采用光色测量法和瞬态法对大功率LED的结温和热阻进行测量。
首先，利用专业设备对LED的光通量、色度等参数进行测量，推算出结温；然后，利用瞬态法对LED施加短时间的高温脉冲，分析其温度变化，得出热阻值。
实验过程中，严格控制环境条件，保证实验数据的准确性。
六、结果与讨论通过实验，我们得到了大功率LED的结温和热阻的准确数据。
我们发现，随着LED功率的增加，其结温和热阻也随之增加。
功率半导体器件的热阻介绍
功率半导体器件的热阻介绍功率半导体器件的故障率随结温的升高按照指数函数增加。
因此，使用功率半导体器件时，必须特别注意器件的温度。
为使器件正常工作，在设计电路时，应注意配置适当的散热器，保持器件的结温不超过允许值。
这样，不仅使器件能正常工作，也有利提高器件的使用效率和延长其寿命。
器件承受的最大结温，因材料而异。
对于锗半导体器件，一般为80~100℃；硅半导体器件，一般为150~200℃。
我国半导体器件厂目前的规定为：锗管最大允许结温Tjm＝90℃，硅管最大允许结温Tjm＝175℃。
如果偏置电路的热稳定性是够高，那么器件的允许耗散功率为：式中Pc—环境温度为Ta时的耗散功率；Rθj-a—管的结至环境的热阻(总热阻)。
在热稳定状态下，器件散热回路的热等效回路如下图所示。
图中，Rθj-c是结至壳热阻，Rθc-a是壳至环境热阻，Rθc-s是壳至散热器热阻(接触热阻)；Tj表示结温度，Tc表示管壳温度，Ts表示散热器温度，Ta表示环境温度。
从上图的热等效回路，很容易求出器件结至环境的总热阻为：由于Rθc-a比Rθj-c、Rθc-s和Rθs-a大得多，故热阻Rθc-a可略去，即认为全部热量都经散热器扩散出去，于是上式简化为：对于耗散功率小于1W的器件，可不安装散热器，这样总热阻为：器件结至壳热阻Rθj-c与芯片结构设计、材料、芯片和管座连接系统的组成及连接方法和几何参数有关。
在测量Rθj-c时，要设法使管壳温度保持恒定。
Rθj-c可由下式决定：接触热阻Rθc-s由管壳和散热器之间的接触状况决定。
当接触面不不整或接触面不光滑时，管壳和散热器之间就有缝隙，Rθc-s就会变大。
为了减小接触热阻，一般要求散热器表面的不平整度要小于0.025mm，表面的粗糙度要求较高。
为了解决由于散热器表面的不平整和不光滑所引起接触热阻增大问题，可以在接触面上涂以硅油，这样就可以使接触不上的地方由硅油来填平。
接触面上的硅油不仅能增大接触面，而且还能排除接触面之间的空气，再加上硅油本身又具有良好的导热性能，这样就可以大大地减小接触热阻Rθc-s。
功率模块封装工艺技术
功率模块封装工艺技术功率模块封装工艺技术是电子封装技术中的一种关键技术，主要应用于高功率电子器件的封装制造过程中。
功率模块封装工艺技术的发展对于提高电子器件的性能、可靠性和稳定性具有重要意义，也对于促进电子产业的发展起着积极的推动作用。
功率模块封装工艺技术的主要目标是有效地将电子器件与外部环境隔离，并提供良好的散热和电气性能。
在封装过程中，一般需要采取以下几个步骤：首先是芯片的切割和研磨。
芯片切割是指将整个片的芯片分割成更小的单位，使其适合封装。
同时，芯片的研磨可以提高芯片的平整度和平行度，以便更好地和封装基板进行焊接。
其次是芯片的粘结。
芯片粘结是将芯片粘结到封装基板上，并利用封装胶进行固定。
这一步骤需要注意的是控制好粘结的压力和温度，以提高粘结的可靠性和稳定性。
第三步是焊接。
焊接是将芯片与封装基板之间的电连接部分进行焊接，以确保电气性能。
常见的焊接方式有焊膏焊接和露珠焊接，每种方式都有其适用的场合和要求。
最后一步是封装。
封装是将芯片和基板进行密封，以保护芯片免受外界环境的影响。
常见的封装材料有封装胶和封装胶带，选择适合的材料可以提高封装的可靠性和稳定性。
此外，功率模块封装工艺技术还需要注意以下几个关键点：一是散热。
功率模块在工作过程中会产生大量的热量，散热不好会导致温度升高，影响器件的性能和寿命。
因此，在封装过程中需要考虑好散热的设计和制造。
二是防护。
功率模块在工作过程中需要承受一定的机械和环境的冲击，因此需要在封装过程中增加一定的防护措施，以确保器件的长期稳定工作。
三是尺寸。
功率模块一般具有较大的尺寸和重量，因此在封装过程中需要考虑好尺寸的控制，以方便安装和使用。
总之，功率模块封装工艺技术的发展对于提高电子器件的性能和可靠性具有重要意义。
通过合理的封装工艺，可以提高器件的散热性能、防护性能和尺寸控制，从而满足不同场合对功率模块的要求，促进电子产业的发展。
散热底板对IGBT模块功率循环老化寿命的影响
散热底板对IGBT模块功率循环老化寿命的影响
常桂钦;罗海辉;方超;陈杰;黄永章
【期刊名称】《电工技术学报》
【年(卷),期】2024(39)8
【摘要】功率半导体模块通常采用减小结壳热阻的方式来降低工作结温,集成Pin-Fin基板代替平板基板是一种有效的选择。
两种封装结构的热阻抗特性不同,可能对其失效机理及应用寿命产生影响。
针对平板基板和集成Pin-Fin基板两种常见车规级IGBT模块进行了相同热力测试条件(结温差100 K,最高结温150℃)下的功率循环试验,结果表明,散热更强的Pin-Fin模块功率循环寿命低于平板模块。
失效分析显示,两者失效模式均为键合线脱附,但Pin-Fin模块的键合失效点集中在芯片中心区域,而平板模块的键合失效点则较为分散。
基于电-热-力耦合分析方法,建立功率循环试验的有限元仿真模型,结果表明,Pin-Fin模块的芯片温变梯度更大,芯片中心区域键合点温度更高,使芯片中心区域的键合点塑性变形更大,导致其寿命较平板模块更短,与试验结果吻合。
【总页数】11页(P2485-2495)
【作者】常桂钦;罗海辉;方超;陈杰;黄永章
【作者单位】新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学);株洲中车时代半导体有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】TM46
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用于寿命预测的PWM功率模块电热模型
摘要：ＰＷＭ 变流模块是工业核心设备，其运行可靠性与寿命预测技术备受关注。根据现有模型特点，采用开
关周期损耗平均法提出一种基于器 件 手 册 曲 线 或 简 单 试 验 结 果 的 实 用 器 件 损 耗 模 型 ，并 将 该 方 法 建 立 的 三
相逆变器电热仿真模型的仿真结果与 ＳＥＭＩＫＲＯＮ 公 司 ＳｅｍｉＳｅｌ软 件 的 计 算 结 果 进 行 比 较 分 析 。结 果 表 明，
第 ３０ 卷 第 １０ 期
鲁光祝等：用于寿命预测的 ＰＷＭ 功率模块电热模型研究
· ２０１ ·
损耗 包 括 通 态 损 耗 Ｐｃｏｎｄ＿Ｔｒ、开 关 损 耗 Ｐｓｗ＿Ｔｒ和 截 止损耗。由 于 截 止 损 耗 在 总 损损耗：
Ｐ ＝ Ｐ ＋Ｐ ＋Ｐ （１） Ｔｒ＿ｔｏｔ
ｃｏｎｄ＿Ｔｒ
ｓｗ＿Ｔｒ＿ｏｎ
ｓｗ＿Ｔｒ＿ｏｆｆ
②二极管损耗 ＰＤ＿ｔｏｔ包 括 通 态 损 耗 Ｐｃｏｎｄ＿Ｄ、开 关 损
耗 Ｐｓｗ＿Ｄ及截止损耗，其开通损耗 和 截 止 损 耗 在 其
总 损 耗 中 所 占 比 例 很 小 ，均 忽 略 不 计 ，则 二 极 管 的
总损耗：
Ｐ ＝Ｐ ＋Ｐ Ｄ
ｃｏｎｄ＿Ｄ
图 １ 功 率 模 块 电 热 模 型 Ｆｉｇ．１ Ｅｌｅｃｔｒｏ－Ｔｈｅｒｍａｌ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｍｏｄｕｌｅ
１．１ 功 率 损 耗 模 型 ＩＧＢＴ 变流模块 损 耗 主 要 包 括ＩＧＢＴ 和 其 反
并联快恢 复 二 极 管 的 功 率 损 耗 两 部 分：①ＩＧＢＴ
收 稿 日 期 ：２０１２－０２－０６，修 回 日 期 ：２０１２－０３－２６ 作 者 简 介 ：鲁 光 祝 （１９８５－），男 ，硕 士 研 究 生 ，研 究 方 向 为 电 力 电 子 器 件 可 靠 性 ，Ｅ－ｍａｉｌ：ｗｗｗ．ｌｕｇｕａｎｇｚｈｕ＠１６３．ｃｏｍ 通 讯 作 者 ：向 大 为 （１９７７－），男 ，副 教 授 ，研 究 方 向 为 新 型 电 机 与 控 制 、风 力 发 电 技 术 ，Ｅ－ｍａｉｌ：ｘｄｗ＿ｃｑｕ＠ｓｉｎａ．ｃｏｍ
封装热阻阻值
封装热阻阻值热阻阻值（thermal resistance）是指两个热介质之间传热的阻力。
在电子产品的设计中，尤其是集成电路的封装过程中，封装热阻阻值成为了一个重要的考虑因素。
本文将探讨封装热阻阻值的概念、影响因素以及如何进行封装热阻阻值的优化。
一、封装热阻阻值的概念及计算方法封装热阻阻值是指集成电路封装的热阻值。
它能够反映出集成电路内部与封装外部之间的热量传递效果。
一般来说，热阻阻值越小，热量传递效果越好，集成电路的温度也会相应降低。
封装热阻阻值的计算方法一般采用下式：Rθja = (Tj - Ta) / P其中，Rθja是封装热阻阻值，Tj是集成电路的结温，Ta是环境温度，P是功率。
二、封装热阻阻值的影响因素封装热阻阻值受到多种因素的影响，主要包括以下几个方面：1. 导热路径：导热路径的设计和构造对封装热阻阻值具有重要影响。
优化导热路径可以减小封装的热阻，提高热传导效率。
2. 材料的热导率：封装材料的热导率决定了热量在封装内部传递的速度。
选择具有较高热导率的材料可以降低封装的热阻。
3. 封装结构：封装的结构形式也会对热阻阻值产生影响。
不同的封装结构可能会产生不同的热阻。
4. 封装的尺寸：封装的尺寸对热阻阻值的大小也有一定影响。
一般来说，封装的尺寸越大，热阻阻值越小。
三、封装热阻阻值的优化方法为了优化封装热阻阻值，可以从以下几个方面进行改进：1. 优化导热路径：合理设计导热路径，采用导热性能更好的材料，减小导热层之间的热阻。
2. 选择高热导率材料：选择具有高热导率的封装材料，通过提高材料的热导率来降低整体的热阻。
3. 优化封装结构：选择合适的封装结构，尽量降低封装的热阻阻值。
可以采用金属材料制作导热底座，增加散热面积等。
4. 控制封装尺寸：适当控制封装的尺寸，避免过大或过小，以减小热阻阻值。
综上所述，封装热阻阻值在电子产品设计中起着重要的作用。
通过优化导热路径、选择高热导率材料、优化封装结构和控制封装尺寸等方法，可以有效降低封装热阻阻值，提高集成电路的散热效果。
热阻和结温详细概念和设计指导
结温 (junction temperature )结温(junction temperature )是处于电子设备中实际半导体芯片(晶圆、裸片)的最高温度。
它通常高于外壳温度和器件表面温度。
结温可以衡量从半导体晶圆到封装器件外壳间的散热所需时间以及热阻。
2最高结温最高结温会在器件的datasheet数据表中给出，可以用来计算在给定功耗下器件外壳至环境的热阻。
这可以用来选定合适的散热装置。
如果器件工作温度超过最高结温，器件中的晶体管就可能会被破坏，器件也随即失效，所以应采取各种途径降低工作温度或是让结温产生的热量尽快散发至环境中。
结温为：热阻X输入电力+环境温度，因此如果提高接合温度的最大额定值,即使环境温度非常高,也能正常工作。
一个芯片结温的估计值Tj,可以从下面的公式中计算出来：Tj=Ta+( R 0 JA X PD )Ta =封装的环境温度(ºi C )R 0 JA = P-N结至环境的热阻(º C / W )PD =封装的功耗(W)3降低结温的途径1、减少器件本身的热阻；2、良好的二次散热机构；3、减少器件与二次散热机构安装介面之间的热阻；4、控制额定输入功率；5、降低环境温度;热阻 thermal resistance热量在热流路径上遇到的阻力，反映介质或介质间的传热能力的大小，表明了1W热量所引起的大小，单位为。
C/W或K/W。
用热乘以热阻，即可获得该传热路径上的温升。
可以用一个简单的类比来解释热阻的意义，换热量相当于电流，温差相当于电压，则热阻相当于电阻。
热阻Rja：芯片的热源结(junction)到周围冷却空气(ambient)的，乘以其发热量即获得那件温升。
热阻Rjc：芯片的热源结到封装外壳间的热阻，乘以发热量即获得结与壳的温差。
热阻Rjb：的结与PCB板间的热阻，乘以通过单板导热的散热量即获得结与单板间的温差。
热阻公式一般，热阻公式中，Tcmax=Tj - P*Rjc的公式是在假设散热片足够大而且接触足够良好的情况下才成立的，否则还应该写成Tcmax =Tj - P*(Rjc+Rcs+Rsa). Rjc 表示芯片内部至外壳的热阻，Res表示外壳至散热片的热阻，Rsa表示散热片的热阻，没有散热片时，Tcmax=Tj-P*(Rjc+Rca)。
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功率模块封装的热阻、结温与寿命
一、问题背景
大家在使用功率模块时，会非常关心功率模块的结温，而往往计算结温的方式采用规格书中的热阻来推算结温。
这样带来了一个问题是，只会采用稳态的热阻进行结温推算，得到平均的结温。
而实际情况是，结温是存在较大波动的，结温波动与我们的封装形式密切相关，进而影响模块的寿命。
市场中的模块常见的有两类无铜基板封装和有铜基板封装模块，普遍认为无铜基板模块的封装热阻小，散热更好，今天我们来讨论这个问题。
二、封装介绍
本文以英飞凌的两款模块FP35R12W2T4（称为EASY封装）和FP35R12KT4（称为Econo封装）为例，它们分别代表无铜基板和有铜基板封装模块，进行说明封装是如何决定热阻、影响结温和寿命的。
这两款模块具有相同的拓扑、相同的芯片，在相同的外部条件下仿真，由于封装的不同，看看热阻是如何变化，结温和寿命是如何变化的。
下面分别是Easy和Econo封装的。
图1 Easy封装
图2 Econo封装
它们的结构截面如下，Easy封装没有铜基板，相对于Econo封装，少2层材料
图3 Easy封装的横截面
图4 Econo封装的横截面
两者有相同的拓扑，集成了逆变、整流和刹车部分。
图 5 拓扑结构
三、热阻相关
热阻与材料层有关，材料层越小，热阻越低。
从上面的可以看出来，easy封装的结壳Rjc热阻会小。
从下面的仿真可以知道，easy的热阻确实低，但是结温会低吗？我们知道结温最终是需要到热沉中的，因此，这里不妨对比到散热器的热阻Rjh，从仿真结果可以看出，到散热器的热阻easy反而变大了。
因此easy系列的结温并不一定低。
但是不是一定高，主要取决于损耗，因为损耗也与封装有关。
图6 结壳Rjc热阻比较
图7 结散热器热阻Rjh对比
四、损耗与稳态结温计算
由于Easy系列的封装电感小，好处之一是动态损耗（Eon+Eoff）低，这里从采用相同的工况条件去仿真两者的损耗。
下面计算了一个三相逆变电路的损耗。
表1 损耗计算条件
图8 损耗计算电路
损耗计算结果如下：Easy封装的损耗是37.5w，Econo封装的损耗是40.7w。
Econo系列的Rjh比Easy的Rjh小，这里主要原因是铜基板起到了热扩散的作用，它的壳到散热器的热阻Rch是较小的。
从上面的仿真，可以看出来，要计算结温，至少要根据Rjh来计算稳态温度。
从图9、图10的结温波动情况来看，两者的稳态平均结温接近，分别是Easy系列的平均结温Tav=124.5℃，Econo系列的平均结温Tav=121℃，相差不大。
表2 损耗计算结果
五、瞬态结温
我们仔细研究下功率模块的瞬态热阻曲线，它们呈现出如下变化趋势，easy模块的瞬态热阻一开始Zjc高出Econo封装的，但是达到稳态，又明显低于Econo模
块，这是由于封装决定的。
Easy封装模块的结温波动较大，最高结温高达136℃，Econo系列的最高结温高达128℃，两者相差8℃。
虽然Easy的Rjc的稳态热阻比较小，但是瞬态结温大，依然非常危险，使用时需要保留更大的裕量。
从下面的结温曲线中可以初步估算出Easy系列的平均结温Tav=124.5℃，Econo 系列的平均结温Tav=121，它们的结温波动ΔTj=Tjmax-Tjmin，分别为19℃和10.5℃，Easy封装的结温波动几乎是Econo模块的两倍。
图9 Easy封装的结温情况
图10 Econo封装的结温情况
六、结温波动对寿命的影响
功率模块的寿命计算模型主要有图11中的三种，不同的寿命计算模型中,关键的因子有平均结温Tj和结温波动ΔTj。
图11 功率模块寿命计算模型
以一款IGBT产品为例，采用CIPS2008的寿命模型，寿命曲线如图12。
假设平均结温一致的情况下，若ΔTj相差10℃，寿命相差1倍以上。
图12 CIPS2008的寿命计算模型
七、总结
1、无基板模块虽然热阻Rjc低，但是由于缺乏基板作为扩散的作用，最终结温还是偏高的，无基板模块并不能起到提高散热效率的作用，在使用过程中更应该关注Rjh的热阻情况。
2、无基板封装瞬态热阻明显高于有铜基板的，可以看出瞬态结温波动大小几乎是带铜基板的2倍，通过对功率模块寿命初步计算，无基板封装模块寿命仅为铜基板模块的50%。