热阻仿真与参数提取

热设计网 2020-04-28

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。

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。

图 2 T3Ster热阻测试系统

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。

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。

图 5 热阻仿真模型

从横截面上，功率模块分为7层:

图6 模型的横截面

各层的材料参数如下:

表 1 PIM材料参数

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。

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。