功率MOSFET封装热阻的分析及改进

（２）高输入阻抗和低电平驱动。
栅氧化层隔离，Ｓ１０２绝缘，栅极漏电流只有１０ｈＡ数量级。栅极电压驱动漏 极电流，开启电压较低．驱动电路简单，驱动功率较小。
（３）安全工作区宽。 ＳＯＡ对器件工作时漏极电压和电流的瞬时值设置了限制，以使其避免二次击
穿的危险，工作安全，可靠性高。 （４）热稳定性高。
ＶＭＯＳ器件由导通电阻决定最小导通电压，特别是低压器件的导通电阻一般
瞳
图１．２
一Ｌｏ瞒ａＳＯｅ Ｎ孑
ＭＯＳＦＥＴ作为降压转换器
２）中档ＭＯＳＦＥＴ用于汽车电路及类似的升压应用。ＭＯＳＦＥＴ晶体管特别适 合下一代４２ Ｖ的汽车电气系统使用。但是这些器件必须适应汽车的使用环境， 这样才能达到市场所期望的功能、效率和可靠性。在使用这些新的器件和封装技 术的情况下，汽车的主要部件，例如阀门控制和转向系统，可以用下一代电动控 制和电动转向系统取而代之，从而节省费用、减轻重量和燃油的消耗，这样汽车
随着消费电子、计算机等领域的快速发展，对于功率器件产品的需求也呈现快速 增长的趋势。而产品的小型化也使得高可靠性、节能、高性能、小尺寸、符合 Ｒｏｌｌｓ指令成为功率器件未来的发展趋势ｌｌ】。
由于全球市场的激烈竞争，各功率半导体器件制造商正投入大量资金发展新
的设计、改进新的工艺、开发新的产品，产品的更新换代几乎到了令人眼花缭乱
都主要以代工厂为主，拥有自主产品的本土企业很少。
ｋｅｙ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｔｈｅｒｍａｌ
ｉｍｐｏｒｔａｎｔ．Ｔｈｅ
ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｉｓ ｌｌｉｇｈ ｔｈｅｒｍａｌ
ｔｏ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｔｈｅｒｍａｌ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ．Ｔｈｅｒｅ ａｒｅ
ｍａｎｙ ａｓｐｅｃｔｓ ｔｏ
ｒｅｓｅａｒｃｈ
ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ａｎｄ ａｓｓｅｍｂｌｙ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．ｐｌａｙｓｉｃａｌ ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎｓ ｏｆ
都很小，且与漏极一源极间电压成正比，随电压增大而增加，即漏极电流有负的 温度系数，使管耗有一定的自补偿。 （５）易于并联使用。 ＶＭＯＳ器件可以简单并联来增加电流容量，而双极型器件并联需要额外设均 流电阻、内部网络匹配等保护装置。 （６）高度线性的跨导。
ＶＭＯＳ器件是一种短沟道器件，当ＵＧＳ上升到一定值后，跨导基本为一恒
低了近７０％。相信在运用到大规模生产后，将大大提高公司产品的竞争力，适应
低功耗趋势，为社会节能做贡献。本文对其他封装的热阻改进也有很好的指导作 用。
关键词：功率ＭＯＳＦＥＴ，ＡＮＳＹＳ热分析，封装热阻，热阻测量技术
Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ｗｉｔｈ
ｔｈｅ ｆａｓｔ ｇｒｏｗｔｈ ｏｆ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｐｏｗｅｒ Ｄｅｖｉｃｅｓ ａｎｄ Ａｓｓｅｍｂｌｙ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ，
ｏ‰∞
ｒ———————————ｔ—————————一
功率ＭＯＳＦＥＴ的主要特点如下【４】：
￥一
ＬＤＭｏＳ
ＶＤＭｏＳ
图１１ ＬＤＭＯＳ和ＶＤＭＯＳ结构
（１）开关速度非常快．工作频率高。
多于导通，不像ＢＪＴ需要建立和复合少子，不存在存贮效应，故开关速度 快；其低压器件开关时间只有１０ｎｓ数量级，高压器件为ｌＯＯｎｓ数量级，故适合 做高频功率开关。
Ｐｏｗｅｒ ＭＯＳＦＥＴ ｔｒｅｎｄｓ ｔｏｗａｒｄｓ ｈｉｇｈｅｒ ｐｏｗｅｒ，ｓｍａｌｌｅｒ，ｆａｓｔｅｒ，ｂｅｔｔｅｒ ｔｈｅｒｍａｌ
ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ｓｏ ｔｈｅ ｔｈｅｒｍａｌ ｄｅｓｉｇｎ ｔｏ
ｂｅｅｎ ｂｅｃｏｍｉｎｇ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｌｙ
ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅｒｍａｌ ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｈ
根据载流子的性质。ＭＯＳＦＥＴ可分为Ｎ沟道和Ｐ沟道两种类型。根据导电 结构，ＭＯＳＦＥＴ有垂直导电结构与横向导电结构，而功率ＭＯＳＦＥＴ大都采用垂 直导电结构（ＤＭＯＳ），太大提高了器件的耐压和耐电流能力其中常用的是 ＶＤＭＯＳ和ＬＤＭＯＳ器件，截面结构如下图１ １所示。
华东师范大学 硕士学位论文 功率MOSFET封装热阻的分析及改进 姓名：孙闫涛 申请学位级别：硕士 专业：集成电路工程 指导教师：石艳玲 20090901
摘
要
随着半导体功率器件和封装产业的蓬勃发展，功率ＭＯＳＦＥＴ发展趋势朝向 大功率、小尺寸、更快速及散热更好。而提高散热性能最重要的途径是降低产品 热阻。本文主要研究了功率ＭＯＳＦＥＴ封装散热材料和结构、封装热阻的物理意 义以及测量技术，对如何改进封装热阻进行了详细的分析。 在广泛调研的基础上，本文对ＳＯ．８ ＭＯＳＦＥＴ器件的封装热阻改进的原理、 设计、模拟、制备流程、测试进行了较全面的研究，以业界ＳＯ一８先进改进结构 为参考，提出来适合所在工厂的封装改进方案；对新的封装改进样品进行了抽样 热阻测试，实验结果显示该热设计方案是可行的，Ｒｔｈｊａ降低接近５０％，Ｒｔｈｊｃ降
图１．３
２００３．２００７年中国ＭＯＳＦＥＴ市场规模
总体来看，未来几年在计算机、电子、通信以及传统工业等应用领域，
ＭＯＳＦＥＴ市场还将保持快速增长，大力推动ＭＯＳＦＥＴ产业的发展。
１．２．２
ＭＯＳＦＥＴ产业的发展
中国完善的基础设施、低廉的劳动力成本和越来越优化的人才结构吸引电子
制造业向中国内地转移，随着电子产业规模的不断扩大，中国已经是全球最重要 的电子产业基地，中国的ＭＯＳＦＥＴ产业近年来也得到了快速发展。但从目前发 展情况来看，国内从事ＭＯＳＦＥＴ产品生产的企业不管是芯片制造还是封装测试
ｇｏｏｄ ｇｕｉｄｅ ｔｏ ｔｈｅｒｍａｌ
ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ
ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｆｏｒ
Ｋｅｙ
Ｗｏｒｄｓ：Ｐｏｗｅｒ ＭＯＳＦＥＴ，ＡＮＳＹＳ
ｔｈｅｒｍａｌ
ａｎａｌｙｓｉｓ，ｔｈｅｒｍａｌ
ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ，ｔｅｓｔ
ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｔｈｅｒｍａｌ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ
学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。
的地步。尤其引入注目的是，功率ＭＯＳＦＥＴ正逐渐成为低功耗转换应用中的最 佳选择。它也迎来了前所未有的发展机遇，在更多的产品应用中，代替了功率三 极管成为首要的设计选择。近年来，节能成为电源技术的主旋律，如何降低功耗
也是功率ＭＯＳＦＥＴ发展的主要驱动力，供应商主要通过降低导通电阻和开发新
的封装形式来满足新的需求。随着市场上对更小巧轻薄、更快速、散热更好及性
定值，这就使其作为线性器件使用时，非线性失真大为减小。
（７）管内存在寄生漏源二极管。 ＶＭＯＳ器件内部漏极一源极之间寄生一个反向的二极管，其在实际电路中可 起钳位和消振作用，此二极管的正向开关时间一般小于１０ｈａ，同时和快速恢复 二极管类似也有一个ｌＯＯｎｓ数量级的反向恢复时间．
１．１．２
ＭＯＳＦＥＴ的应用
ＭＯＳＦＥＴ市场带来更多的活力和美好的发展未来。
１．１
ＭＯＳＦＥＴ的特点和应用
ＭＯＳＦＥＴ全称是金属氧化物半导体场效应晶体管（Ｍｅｔａｌ
Ｓｏｎｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ
Ｏｘｉｄｅ
Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）它是一种电压控制器件，即以金属层（呻的
栅极隔着氧化层（Ｏ），利用电场效应来控制半导体（ｓ）的场效应晶体管．
能更可靠的便携式应用ＭＯＳＦＥＴ器件的需求的快速增加，全球主要ＭＯＳＦＥＴ生
产企业ＩＲ、ＯｎＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ、Ｉｎｆｉｎｅｏｎ等都在不断开发新型ＭＯＳＦＥＴ产品，并
通过提升封装工艺来改善器件散热水平，增大产品优势。
随着功率ＭＯＳＦＥＴ应用的更加广泛和更大市场潜力，越来越多的公司开始 加大资本投入，积极发展ＭＯＳＦＥＴ，其中包括ＴＩ公司近期也收购了一家ＭＯＳＦＥＴ 公司，开拓其原来没有涉足的ＭＯＳＦＥＴ市场。越来越多的资本技术投入，将给
从目前的市场和应用情况看，ＭＯＳＦＥＴ主要应用于三个领域： １）低电压Ｎ沟道ＭＯＳＦＥＴ用于开关电源方面，如降压转换器，高频工作的
ＭＯＳＦＥＴ已成为开关电源中的关键器件。现在，市场上销售的开关电源产品里，
采用双极型晶体管的开关电源的开关频率仅为３０＂－３０００ｋＨＺ，采用功率ＭＯＳＦＥＴ
的开关频率可达到５００１ｄ－Ｉｚ左右。近年来，低电压ＭＯＳＦＥＴ技术开发方面有了
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封：ｉ刍透一
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ａｎｄ
ｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｎｅｗ
５０％，Ｒｔｈｊｃ
ｒｅｄｕｃｅ
７０％）ｃｒｏｓｓ
ｔｏ ＳＯ－８ ｓｔａｎｄａｒｄ ｐａｃｋａｇｅ
ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ
ｐｒｏｃｅｓｓ ｄｏａｂｌｅ ｆｕｒｔｈｅｒｌｙ．Ｔｉｔ
ａ
Ｃａｎ ｍａｋｅ
ｏｕｒ
ＳＯ－８ Ｐｏｗｅｒ ＭＯＳＦＥＴｓ ｍｏｒｅ
ｃｏｍｐｅｔｉｔｉｖｅ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ａｌｓｏ ｂｅ ｏｔｈｅｒ ｐａｃｋａｇｅｓ．
ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｈｅｒｍａｌ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ａｎｄ ｉｔｓ ｔｅｓｔ
ｍｅｔｈｏｄ，ａｎｄ ｈｏｗ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ
ｔｈｅｒｍａｌ
ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．
Ｂａｓｅｄ
ｏｎ ａ
ｌｏｔ ｏｆ ｂｅｎｃｈ ｍａｒｋｓ
ａｎｄ
ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ，ｔｈｅ
ｔｈｅｒｍａｌ
ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄ ｈａｓ
场应用发展空间，ＭＯＳＦＥＴ已经成为中国分立功率器件市场发展亮点。例如近
年来中国计算机、笔记本电脑以及液晶电视产量的高速增长，对中国ＭＯＳＦＥＴ
４
的市场需求和快速发展起到了推动和带头作用，２００７年中国ＭＯＳＦＥＴ市场需求 量达到１７１．２亿个，比２００６年同比增长近２００，６。如图１．３，见２００３．２００７年中国 ＭＯＳＦＥＴ市场规模【２１。
很大提高，沟槽ＭＯＳＦＥＴ已成为各公司开发的重点和热点，随着其产品电性能 的不断提升，在导通电阻、开关速度等很多方面已经超越了平面ＭＯＳＦＥＴ，并
且芯片尺寸大大降低，成本优势很大。如图１．２为低电压ＭＯＳＦＥＴ作为降压转
换器的应用。
ＨＩｇｈ－Ｓｉｄｅ ＭＯ￥
尹１‘”商ｒ。。。
●■●●●■■●■■－
制造商就可以灵活地探索个人运输的新概念。
３）而高压产品则主要用于大功率设备的脱机应用【２】。现在市场上比较热门的
高压ＭＯＳＦＥＴ主要是６００Ｖ和８００Ｖ高压产品，目前大多是平面工艺设计来达
到高的耐压。如墩公司的ＴＯ－２４７封装６００Ｖ Ｋ系列ＨＥＸＦＥＴ平面功率ＭＯＳＦＥＴ
比早期产品的导通阻抗低４５％，电流高７５％，这种设计主要用于数据通信系统
ｂｅｅｎ ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ ｖａｌｉｄａｔｅｄ ｂｙ ＡＮＳＹＳ
ｔｈｅｒｍａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ
ａ
ｂｅｎｃｈ ｔｈｅｒｍａｌ ｔｅｓｔ ｆｏｒ
ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ ｓａｍｐｌｅｓ．Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｒｅｄｕｃｅ
ｇｒｅａｔ
ｔｈｅｒｍａｌ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ（Ｒｔｈｊａ
中功率为３００Ｗ以上的脱机转换模式电源中的硬交换电路。
１．２国内外发展状况
１．２．１不断增长的市场需求
在国内元器件应用市场，虽然仍然是电源管理芯片占据首要位置，ＭＯＳＦＥＴ 位于第二位，而大功率的晶体管则据第三位，此三大产品总销售额共占整体市场 份额的８０％以上，需求巨大。但从２００７年以来，电源管理芯片和大功率晶体管、 晶闸管等功率器件的增长率相对很低，功率ＭＯＳＦＥＴ依旧保持了较快的发展。 而特别是在开关电源、电力电汽应用领域，凭借着较快的市场增长率和广阔的市
学位论文作者签名：苦寸、闫涛
导师张石榉
日期：
日期：窖：！！：孥
第一章绪论
引言
随着半导体技术的迅猛发展，半导体工艺生产中的新技术、新工艺、新产品 不断涌现，促进了整个产业的发展。进入２０世纪９０年代，各国开始实施大力发
展信息产业的战略方针，使半导体的产业结构也有了巨大变化和发展，特别是功
率半导体器件与半导体封装技术的日益紧密结合，不断提高功率器件的竞争力。