基于FEMAP的典型半导体模型热分析


2010年

第5期

科教纵横

基于FEMAP的典型半导体模型热分析
文/林利芬 肖浩
摘 要:针对半导体芯片的热传导问题,利用有限元软件FEMAP,采用稳态热分析仿真方法,从热传导、热对流和热辐射三 个方面,逐层分析了三种半导体典型特征模型的内部温度分布情况。从模拟结果可见,在芯片外逐渐添加基板、金属盒和散热 器之后,散热效果得到了明显改善,其中散热器对半导体芯片的散热效果影响很大。对大功率的半导体芯片,应尽量采用有金 属盒的结构,为优化半导体的封装设计提供了参考依据,对以后进一步研究有一定的实际意义。 关键词:半导体芯片;稳态;热分析;封装;FEMAP 中图分类号:N37 文献标识码:A 文章编号:1006-4117(2010)05-0208-01 前言:随着半导体芯片技术的不断发展,各种大功率的 半导体芯片在控制领域的各个方面都得到了广泛地应用。半 导体芯片的体积也在逐渐减小,这些电子设备在工作中,由 于产生大量热量,电子元件温度不断上升,如果不及时散热 就会导致电子元件的失效或损坏。 一、半导体芯片的散热模型及传热理论 (一)散热模型和散热方式 半导体芯片的模型如图1和图2所示,图1的芯片模型由芯 片、封装树脂外壳和基板组成;图2的芯片模型由芯片、封装 树脂外壳、基板和散热器组成,两者的热源都位于芯片处。 焊脚的材料为铜。 入形状系数,形状系数是关于表面面积、面的取向及面间距 离的函数。它可以通过公式1,公式2和辐射矩阵求得。公式3 为求解用到的辐射矩阵。 [1] E i为i表面的灰体辐射功率, 为灰体表面的辐射率,半 导体模型的各种材料已知, i→j为i表面与j表面之间的角系 数,J i为半导体模型中任一表面的有效辐射功率。表面i与表 面j之间的形状系数为表面i接受的辐射能与由表面j发出的辐 射能的比值,由辐射矩阵计算的形状系数为: [2] 式中: ——单元法向与单元I,J——连线的角度, r——单元I,J——重心的距离。 图1 半导体芯片模型a 图2 半导体芯片模型2 在自然状态下,图1和图2的半导体芯片散热方式有封装 树脂外壳的热传导,处于芯片模型周围的空气对流和芯片模 型表面的热辐射。图3是芯片模型周围的空气流动模型,芯片 模型附近的空气与周围空气存在温度差,通过周围空气的流 动可以带走一部分热量。图4表示了由散热器和基板带走的热 量的方向。 二、分析结果及总结 通过上述传热分析,当考虑空气对流因素时,温度范围 的上线依次降低745.1℃、18.74℃和31.24℃;当继续考虑 辐射因素时,温度范围的上线依次降低132.2℃、4.03℃和 1.53℃,所以在半导体模型当中空气对流对半导体芯片的 散热影响要远大于热辐射。通过三个模型的温度场分布图 比较,我们可以计算出,当添加了金属盒之后,温度变化的 均值为393.27℃,当添加了散热器之后,温度变化的均值为 8.7℃,因此金属盒对半导体芯片的散热效果影响较大。所以 对大功率的半导体芯片,应尽量采用有金属盒的结构,在对 三个半导体模型进行分析时,由于热辐射对模型的散热效果 影响较小,在进行大功率半导体芯片的热分析计算时,可以 忽略其对散热的影响。尽管我们目前不能通过试验测试处各 点的温度,但是仿真结果为制作这种模块提供了指导思想, 为优化半导体的封装设计提供了参考依据。 作者单位:林利芬 武汉软件工程职业学院机械系 肖浩 武汉理工大学机电工程学院
参考文献:
[1]付俊庆.半导体封装快速养护炉辐射传热分析[J].工业加热,2004, (2):8-10. [2]葛隽,何闻.晶体管水冷散热器的热分析及仿真研究[J].机床与液压, 2008,(5):162-164. [3]张蕾,崔碧峰,黄宏娟,郭伟玲,王智群,沈光地,半导体光电,2007, (12):761-765. [4] Gourevitch A, Laikhtman B, Westerfeld D, et al. Transient thermal analysis of InGaAsp-inP high-power diode laser arrays with different fill factors[J].J.Appl.Phys.,2005,97:084503.

图3 半导体芯片散热方式a 图4 半导体芯片散热方式b (二)传热理论 半导体芯片在工作状态中,芯片本身与周围的金属盒和 散热器有能量的传递。在自然状态下,不考虑空气的热传导 效果,主要考虑空气在芯片模型周围的对流。根据热传递的 几个公式,例如热传导的基本公式Q=K×A×ΔT/ΔL(Q代 表传导的热量;K为材料的热传导系数),我们还不能很方 便的计算热量的变化,在对半导体芯片进行温度场的仿真分 析时主要根据Stefan-Boltzmann定律。 根据上述热辐射基本原理,当半导体芯片处于工作状态 时,在封装树脂与金属盒和金属盒与散热器之间存在辐射的 热交换,在FEMAP当中,我们可以用隐藏的方法计算二维和 三维问题。在计算两个面之间的辐射热交换时,我们需要输
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