4H-SiC肖特基势垒二极管自热效应及其高温封装的热分析

摘要

碳化硅肖特基势垒二极管是应用于商业市场的第一个SiC功率器件，在高温应用方面具有很好的前景。由于自热效应导致器件内部温度比环境温度高，从而影响了器件的电学特性。而且为了让4H-SiC SBD更好地工作在高温环境中，芯片产生的热量能很快地传导到环境中，以防芯片温升太高，超过器件的耐温极限，就要从器件封装的热性能上着手，选择良好的封装结构及材料，来最小化封装热传导路径中的热阻以提高器件工作的最高结温。本论文通过数值模拟的方法，研究了自热效应对4H-SiC肖特基势垒二极管电学特性的影响，同时对器件封装的热特性也进行了较为深入的研究，主要工作和研究成果如下：
　　 1.研究了环境温度300K时，正向偏压下，自热效应对器件晶格温度分布的影响。结果显示，器件晶格温度的最高点在肖特基接触附近，而且当正向偏压从2V到SV变化时，器件的晶格温度分布梯度随之变大。
　　 2.研究了自热效应对器件I-V特性的影响。正向特性中，环境温度300K时，当电流密度比较低于20A/cm2时，相同正向电压下的电流密度比无自热效应时高，但当电流密度高于20A/cm2时，相同正向电压下的电流密度比无自热效应时低。反向特性中，在相同环境温度下，自热效应对反向特性几乎没有影响，但随着温度的上升，器件的反向漏电流变大。反向恢复特性中，自热效应对器件的反向恢复时间几乎没有影响，但随着环境温度不断升高，器件的反向峰值电流随之有所变大。
　　 3.选择了一种传统的引线键合封装结构来进行热特性分析，其结构主要由芯片，粘结层，基板（或衬底）三部分组成。通过ANSYS软件建模仿真，研究了基板厚度和粘结层材料及厚度对芯片温场分布的影响。分析结果表明，DBC基板的最佳厚度应介于1～1.2mm之间，粘结层材料热导率越高，厚度越薄，对散热越有利。研究了不同耗散功率和不同环境温度下芯片封装的温场分布，发现随着耗散功率变大和环境温度的升高，芯片的最高温度呈线性增加。相对于传统的引线键合封装结构，一种新颖的平面封装结构不仅能够减小电阻，电感等寄生效应，而且相对于传统的封装结构，最大的优点是能够使芯片两面散热。仿真验证了平面封装的优势后，对其工艺步骤做了的简单介绍。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 4H-SiC肖特基势垒二极管的研究现状

1．1．1 4H-SiC肖特基势垒二极管高温特性的研究现状

1．1．2 4H-SiC肖特基势垒二极管自热效应特性的研究现状

1．2 碳化硅器件封装结构及材料的研究现状

1．2．1 碳化硅器件封装结构的研究现状

1．2．2 碳化硅器件封装材料的研究现状

1．3 本文的研究意义及工作安排

1．3．1 本文的研究意义

1．3．2 本文的工作安排

2 4H-SiC材料特性及肖特基势垒二极管的工作原理

2．1 碳化硅材料的特性

2．2 本征载流子浓度与温度的变化关系

2．3 碳化硅中载流子的不完全电离

2．4 碳化硅中的电子迁移率

2．5 碳化硅材料的热特性

2．6 碳化硅肖特基势垒二极管的工作原理

2．6．1 碳化硅肖特基接触理论

3 4H-SiCSBD自热特性的模拟与分析

3．1 仿真环境介绍及模拟中关键模型的选取

3．1．1 自热模型

3．2 4H-SiC肖特基势垒二极管的仿真结构

3．3 自热效应下4H-SiC SBD的晶格温度分布

3．3．1 正向电压对4H-SiC SBD晶格温度分布的影响

3．4 4H-SiC SBD的电学特性

3．4．1 正向特性

3．4．2 反向特性

3．4．3 反向恢复特性

3．5 自热效应对4H-SiC SBD电学特性的影响

3．5．1 室温下自热效应对4H-SiC SBD正向I-V特性的影响

3．5．2 环境温度变化时自热效应对4H-SiC SBD正向I-V特性的影响

3．5．3 自热效应下Ni和Ti／4H-SiC SBD正向I-V特性的比较

3．5．4 自热效应对Ti／4H-SiC SBD反向特性的影响

3．5．5 自热效应对Ti／4H-SiC SBD开关特性的影响

3．6 本章小结

4 4H-SiC肖特基势垒二极管高温封装的热分析

4．1 封装结构及材料

4．1．1 封装结构

4．1．2 封装材料的选取

4．2 器件封装的ANSYS热分析

4．2．1 封装结构的有限元模型建立

4．2．2 结果及分析

4．2．3 耗散功率对芯片温场分布的影响

4．2．4 环境温度对芯片温场分布的影响

4．3 优化设计

4．3．1 基板厚度对封装热性能的影响

4．3．2 芯片的粘结层材料及厚度对封装热性能的影响

4．4 平面封装的热分析及工艺介绍

4．5 本章小结

5 总结

致谢

参考文献

附录：攻读硕士期间的研究成果