半导体器件散热特点、IGBT热模型建立及测试方法

半导体器件散热特点、IGBT热模型建立及测试方法一、半导体器件的散热特点：有限元方法能够准确全面地描述工程传热问题，但是其算法精度依赖于物理模型和求解器的优劣，是一个完全正向的开发流向，必须通过不断的优化模型和算法逼近真实的结果。但是，在实际应用中很难获得系统中各个层级的模型参数，大部分的结果还是得依靠测试进行标定。同时，有限元模型无法集成到系统内部，对系统进行实时的热评估。半导体器件在一定尺度内，其传热模型是可以简化的。如下图为典型的IC封装层叠结构，在该尺度下可以将芯片传热模型等效为“一维热传导”。在该模型尺度下，其热阻，热容有以下的计算公式。半导体器件的一般散热结构。1/5其实，我们已经发现该模型已经做了一定的“剖分”。由于Chip层的厚度较厚，在该层内的热传递方向并非垂直，而是会产生一个扩散角α，因此需要将该Chip层进行多层切割，切割后的每一层可以等效为“均匀平板热传导”。因此，在建立热模型的时候往往采用多阶的热阻-热容参数模型。对于电子器件在一定尺度内可以直接对其进行“热传导”的建模方式。其实，我们热模型的建立就是基于“热传导”，在该尺度下我们还能应用集总参数的数学模型对其进行描述，一旦建模范围扩大到更外层的边界，包括流体散热等复杂散热条件，其建模的线性度无法保证，难度将大大增加。在热模型的建立过程中，我们可将传热网络和电路网络进行等效。也即是，将发热的功率等效为电路的电流源，将传热路径上的温度差等效为电路的电压。因此，基于物理模型建立的热模型网络如下图。其每一组热阻热容都对应到实际物理模型的热阻热容。只要我们获得了响应的各层的热阻-热容参数，以及器件的发热功率，就能够轻松的计算出发热点的温度。Cauer-model。2/5但是Cauer-model有一定的缺陷，热容参数都是相对于GND的温度参考点，一旦该参考点变化（比如参考点由IGBT基板DCB温度变为IGBTHeatsink温度），需要重新评估/测量热容参数。而具有相同阶数和相同频率响应的等效模型Foster-Model。如下图，参考点的变化不影响前级的热阻-热容参数，只需要在其后级串联[IGBT基板DCB-IGBTHeatsink]的热阻-热容网络即可，简化了模型的复杂度。但是，需要注意的是Foster-Model各节点无法和实际的物理模型进行对应，但是实际上我们也不需要知道传热层之间的传热温差是多少，只要知道结温和传感器测量点之间的温差就足够好用了。Foster-Model。3/5二、IGBT热模型建立方法：上文已经说到，IGBT作为半导体器件，无法通过获取基板上NTC的温度对其进行热保护，必须通过建立热模型的方式对其结温进行“预测”。而该预测也无法完全通过数学的方法，因为无法再大尺度下（比如Tj-Ta）对其进行热模型建模，需要依靠NTC设计一个“锚点”，也即是获得这个“基准温度”，在小尺度结构上进行热传递的模型建立。如下图，为某一型号的IGBT封装形式。考虑到该结构内，Chip（junction）上产生的绝大部分热量向下传递，穿过DCB，Heatsink，并最终被消散到环境温度（Ambient）里面。那么在Chip-DCB-Heatsink这个尺度上可以建立IGBT的热模型，为了方便说明，简化为Chip-Heatsink的一阶热模型网络。IGBT散热模型。4/5Heatsink的变化是缓慢的，因此可以将该温度作为基准温度。但是，NTC的位置并不在Heatsink的位置，而处于DCB上面，Chip的周边位置。所以，需要通过NTC的测量温度来估算Heatsink的温度。这里需要注意的是NTC由于传感器的时间常数的影响，不能够实时获得测量点的温度，需要通过一定的方式对该时间常数进行补偿。由于在各应用系统中，IGBT的散热环境存在差异，因此需要对目标系统进行热测试获得热阻-热容参数。其中关键的结温的测试一般采用“热压法”，在半导体材料中通入微电流，其Junctio