热设计网

热阻仿真与参数提取

热设计网
热设计网


1、背景与意义


功率模块在使用过程中,设计人员会比较关心功率模块的温升情况,仿真模块的温升一般采用三维软件仿真,或者采用解析的办法来做,因此功率模块的热阻参数是非常重要的,稳态热阻和瞬态热阻曲线可以通过仪器测试或者仿真得到。实际上,通过本文的仿真对比结果可以看出,仿真是可以代替测试的,同时测试的仪器一般成本昂贵,不是较大的半导体公司,基本上无法承受。因此,采用仿真的办法研究热阻及其参数,是具有较大的工程意义。


 热阻测试原理


热阻测试一般分为两个过程先采K线,简单来说,K线是表示结温与电压变化的一组对应关系,后续仪器可以通过测试电压变化,来推算结温。然后测试壳温,做法是给芯片通较大的电流,使其产生损耗,然后通过热电偶测试芯片下的温度,具体方法如下图1。这样得到了结温Tj和壳温Tc,以及所加的功耗P,这样就可以计算热阻。


blob.png

图1热阻测试原理


瞬态热阻原始数据获取办法,一是可以通过仪器比如T3ster,见图2或者Phase11,见图3测试功率模块的瞬态热阻(IGBT和FRD的),热阻测试完成后,可以输出瞬态热阻曲线如图4和对应的数据time和Zth。


blob.png

图 2  T3Ster热阻测试系统

blob.png

图 3  Phase 11 热阻测试系统


二是可以通过仿真的办法进行瞬态热仿真,得到结温Tj和壳温Tc的结果后,根据热阻的定义,计算出瞬态热阻。


blob.png

图 4  瞬态热阻曲线

2、热阻仿真


2.1建立模型

以传统的34mm模块为例,采用ANSYS Mechanical软件,根据一维散热的原理,建立了仿真模型,模型由芯片,DBC,锡膏,铜基板组成,忽略了键合线,硅胶,以及外壳,功率端子和驱动端子,简化了圆角与DBC上的孔。建立模型如下。

blob.png

图 5 热阻仿真模型

从横截面上,功率模块分为7层:

                                             

blob.png

6 模型的横截面


各层的材料参数如下:

表 1  PIM材料参数

blob.png


2.2载荷与边界条件定义


给芯片施加损耗P,要求芯片的结温稳态时达到140℃左右,铜基板底部设置对流换热,使得热量从铜基板底部散出来,忽略可能存在的对流换热以及辐射散热。芯片最高温度点为Tj,铜基板上的芯片正下方的点选为Tc。进行瞬态热仿真,获取一组Tj与Tc,采用公式(1),进行瞬态热阻的计算。

blob.png

热阻仿真需要注意的几点:一是真正有源区面积的确定:硅片上制作有源器件的区域称为有源区,也就是有杂质注入的地方,包括 P 掺杂区和 n 掺杂区等,器件工作时载流子流过该区域产生焦耳热量;而其他部分是作为切割硅片保留的划片区或者隔离区,没有或者很少产生热量。因此,有源区是真正发热的部分。对于高压的器件,建模过程中需要关注有源区的影响,因为不发热的面积占比较大,排除了不发热的面积,仿真结果会与实际更接近。二是结温需要达到140℃左右,与实际测试热阻的结温接近,因为SI在高温下导热系数会降低。详情见参数表1。


  2.3热阻计算


  根据瞬态热阻计算理论,瞬态热阻先计算出脉冲占空比δ=0的时候的瞬态热阻,其他占空比的瞬态热阻根据下面的公式计算出。图6是仿真与实际测试结果对比,精度还是很高的。

blob.png

(2)Z_(θ(tp))是占空比δ=0时候的瞬态热阻。

blob.png

图 6 瞬态热阻对比(实线为仿真值,虚线为测试值,颜色一致者为一组)


3、参数提取


瞬态热阻曲线可以用热网络模型来表示,比如4阶的Foster模型,见图7. Foster模型可以用如下方程(3)表示。对于4阶的Foster模型,可以瞬态热阻可以用如下方程(3)表示,因此这里产生了8个未知数。R1、R2、R3、R4和C1、C2、C3、C4。通过算法,可以提取这8个未知数。

blob.png

(3)blob.png

图 7  4阶的Foster模型


可以采用几种方法确定这8个参数,一是最优化求解方法,二是最解8元一次方程组,三是曲线拟合,这些在MATLAB中很方便实现。其中最优化方法如下,通过求解下面函数的最优解:

min:R_1 (1-e^((-t)/R1C1) )+R_2 (1-e^((-t)/R2C2) )+R_3 (1-e^((-t)/R3C3) )+R_4 (1-e^((-t)/R4C4) )-Zth(t) 

上述最优解求解方法有蚁群算法,遗传算法等方法,本计算方法采用蚁群算法进行,算法在最终收敛时,R1、R2、R3、R4和C1、C2、C3、C4也收敛到一个合理的值,也就是提取出了瞬态热阻的参数R_i与C_i。利用这种成熟的优化算法,具有较强的适应性和鲁棒性。

图8对比是通过本方法进行参数提取后,根据如下方程计算出的热阻和实际测试热阻的对比,提取的瞬态热阻与测试的热阻能够完全重合,满足工程和应用的要求。


blob.png

图 8 模型的仿真结果

4、总结

本文通过仿真的办法准确模块的热阻及其参数,具有高精度、高效率、低成本等特点,本文提出的方法还可以适应LED、激光器、射频、IC等行业的封装热阻问题。


  • 投稿作者:Paul,高级研发工程师

  • 原创文章,禁止私自转载,转载请联系我们

感谢阅读




网站和公众号投稿,参加培训,请扫码联系热设计网客服。

blob.png

                                   


标签: 点击: 评论:

留言与评论(共有 0 条评论)
   
验证码: