功率器件热结构缺陷分析

——功率器件热结构缺陷分析

编写：李少平

功率器件工作时消耗电功率，并将电能率转变热能，功率器件产生的热功率

等于消耗的电功率，如三极管的热功率为VCE ×IC 、场效应管的热功率为VDS ×

ID 、三端稳压器的热功率为（Vi－Vo ）×Io、整流二极管的热功率为VD ×I D 。

功率器件工作中产生的热通过芯片的烧结料——过渡片或陶瓷片（有的器件有此

结构，有的器件无此结构）——管壳——散热器（或空气）传输。

功率器件的热结构示意图将图1，功率器件结到壳的热传输性能通常用热阻

RT jc 表示，R Tjc 由芯片的烧结界面、过渡片或陶瓷基片（如果存在的话）的烧结

质量，烧结材料及过渡片或陶瓷基片的导热性能等决定。

图1 功率器件热传输路径示意图

如果功率器件界面烧结存在缺陷，直接影响功率器件RTjc 。

P＝（Tj－Tc）/R jc

Tj＝P ×R jc ＋Tc

由于功率器件存在热缺陷，引起R jc 增大，导致功率器件在正常工作时结

温度更高。功率器件结温高，将降低功率器件的工作寿命，热结构缺陷严重时，

可引起功率器件正常工作时结温度过高而产生热奔击穿失效。

功率器件热缺陷通常为：烧结缺陷包括烧结材料空洞和烧结界面两种不同金

属不能形成良好的金属间化合物。

热性能参数通常不是功率器件出厂前的必检参数，而功率器件的电参数不能

直接显示热缺陷状态，因此，如果烧结工艺出现异常，出厂的产品比较难从电性

能参数的的检测发现热结构缺陷。

因此，在失效的功率器件中，属于芯片烧结缺陷引起的芯片过热失效的比例

大。

功率器件热结构缺陷分析案例

①3DF10C 金属封装大功率三极管热结构缺陷案例：

样品外观检图2，样品在整机开展试验的时候发生失效。

失效样品经C－SAN （声学扫描）观察发现，芯片烧结界面存在大量空洞，

严重者，几乎整个烧结面都不能形成有效的烧结。C－SAN 形貌见图3、图4。

X－RAY 观察可见芯片烧结明显存在空洞，典型X－RAY 形貌见图5。

样品经开封后，内部观察可见，芯片的烧结料严重流失，见图6。

现象，进一步证明芯片的烧结质量极差，芯片与壳分离的形貌见图7。

2 失效样品外观形貌

芯片表面呈现过热击穿特征，见图8。 

案例提示：

功率器件工作过程中产生热量，热量必须通过有效的途径传输到管壳，然后

由管壳传输到外部散热器或空气中，如果功率器件热结构存在缺陷，显然引起芯

片结温显著上升，结温上述结果：或缩短功率器件的寿命，或直接引起芯片过热

而热奔失效，

案例显示，C－SAN、X－RAY 是分析功率器件热结构缺陷的有效手段。

功率器件结温不能（或难以）直接进行检测，热阻RTjc 的检测复杂，可采

用C－SAN 观察分析，并结合X－RAY 的观察结果，评价功率器件的热结构。

C－SAN、X－RAY 均属于无损分析、检测，适应于功率器件批抽样检测，

也适应于对怀疑批开展100％的筛选。 芯片边，芯片烧结面形貌