功率MOSFET封装热阻的分析及改进资料下载.pdf
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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SO8MOSFET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AbstractWiththefastgrowthofSemiconductorPowerDevicesandAssemblyIndustry,PowerMOSFETtrendstowardshigherpower,smaller,faster,betterthermalperformanceSothethermaldesigntoimprovethermaldissipationperformancehasbeenbecomingincreasinglyimportantThekeymethodofimprovingthermalperformanceistoreducethethermalresistanceTherearemanyaspectstoresearchllighthermalconductivematerialandassemblystructureplaysicaldefinitionsofdifferentthermalresistanceanditstestmethod,andhowtoimprovethermalperformanceBasedonalotofbenchmarksandexperiments,thethermaldesignmethodhasbeensuccessfullyvalidatedbyANSYSthermalanalysisandbenchthermaltestforprototypesamplesMeasurementresultsindicateagreatthermalimprovement(Rthjareduce50,Rthjcreduce70)crosstoSO-8standardpackageandprovethenewdesignandprocessdoablefurtherlyTitCanmakeourSO-8PowerMOSFETsmorecompetitivewhichisalsobeagoodguidetothermalperformanceimprovementforotherpackagesKeyWords:
PowerMOSFET,ANSYSthermalanalysis,thermalresistance,testmethodofthermalresistance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。
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苦寸、闫涛日期:
窖:
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孥导师张石榉日期:
引言第一章绪论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。
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MOSFET市场带来更多的活力和美好的发展未来。
11MOSFET的特点和应用MOSFET全称是金属氧化物半导体场效应晶体管(MetalOxideSoniconductorFieldEffectTransistor)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111MOSFET的分类和特点根据载流子的性质。
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11所示。
ort一LDMoSVDMoS图11LDMOS和VDMOS结构功率MOSFET的主要特点如下【4】:
(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。
(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。
$一(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112MOSFET的应用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12为低电压MOSFET作为降压转换器的应用。
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一Lo瞒aSOeN孑-瞳图12MOSFET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。
MOS
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