熱阻仿真與參數提取

熱設計網 2020-04-28

1、背景與意義

功率模塊在使用過程中，設計人員會比較關心功率模塊的溫升情況，仿真模塊的溫升一般采用三維軟件仿真，或者采用解析的辦法來做，因此功率模塊的熱阻參數是非常重要的，穩態熱阻和瞬態熱阻曲線可以通過儀器測試或者仿真得到。實際上，通過本文的仿真對比結果可以看出，仿真是可以代替測試的，同時測試的儀器一般成本昂貴，不是較大的半導體公司，基本上無法承受。因此，采用仿真的辦法研究熱阻及其參數，是具有較大的工程意義。

熱阻測試原理

熱阻測試一般分為兩個過程先采K線，簡單來說，K線是表示結溫與電壓變化的一組對應關系，后續儀器可以通過測試電壓變化，來推算結溫。然后測試殼溫，做法是給芯片通較大的電流，使其產生損耗，然后通過熱電偶測試芯片下的溫度，具體方法如下圖1。這樣得到了結溫Tj和殼溫Tc，以及所加的功耗P，這樣就可以計算熱阻。

圖1熱阻測試原理

瞬態熱阻原始數據獲取辦法，一是可以通過儀器比如T3ster，見圖2或者Phase11，見圖3測試功率模塊的瞬態熱阻（IGBT和FRD的），熱阻測試完成后，可以輸出瞬態熱阻曲線如圖4和對應的數據time和Zth。

圖 2 T3Ster熱阻測試系統

圖 3 Phase 11 熱阻測試系統

二是可以通過仿真的辦法進行瞬態熱仿真，得到結溫Tj和殼溫Tc的結果后，根據熱阻的定義，計算出瞬態熱阻。

圖 4 瞬態熱阻曲線

2、熱阻仿真

2.1建立模型

以傳統的34mm模塊為例，采用ANSYS Mechanical軟件，根據一維散熱的原理，建立了仿真模型，模型由芯片，DBC，錫膏，銅基板組成，忽略了鍵合線，硅膠，以及外殼，功率端子和驅動端子，簡化了圓角與DBC上的孔。建立模型如下。

圖 5 熱阻仿真模型

從橫截面上，功率模塊分為7層:

圖6 模型的橫截面

各層的材料參數如下:

表 1 PIM材料參數

2.2載荷與邊界條件定義

給芯片施加損耗P，要求芯片的結溫穩態時達到140℃左右，銅基板底部設置對流換熱，使得熱量從銅基板底部散出來，忽略可能存在的對流換熱以及輻射散熱。芯片最高溫度點為Tj,銅基板上的芯片正下方的點選為Tc。進行瞬態熱仿真，獲取一組Tj與Tc，采用公式（1）,進行瞬態熱阻的計算。

熱阻仿真需要注意的幾點：一是真正有源區面積的確定：硅片上制作有源器件的區域稱為有源區，也就是有雜質注入的地方，包括 P 摻雜區和 n 摻雜區等，器件工作時載流子流過該區域產生焦耳熱量；而其他部分是作為切割硅片保留的劃片區或者隔離區，沒有或者很少產生熱量。因此，有源區是真正發熱的部分。對于高壓的器件，建模過程中需要關注有源區的影響，因為不發熱的面積占比較大，排除了不發熱的面積，仿真結果會與實際更接近。二是結溫需要達到140℃左右，與實際測試熱阻的結溫接近，因為SI在高溫下導熱系數會降低。詳情見參數表1。

2.3熱阻計算

根據瞬態熱阻計算理論，瞬態熱阻先計算出脈沖占空比δ=0的時候的瞬態熱阻，其他占空比的瞬態熱阻根據下面的公式計算出。圖6是仿真與實際測試結果對比，精度還是很高的。