CN103870612A - 一种获得igbt器件热阻的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种获得IGBT器件热阻的系统和方法，属于大功率器件的技术领域。本系统包括建模模块、网格划分模块、施加条件模块、温度分布模块和计算热阻模块；建模模块根据IGBT器件的组件的特性参数建立三维模型；网格划分模块将三维模型进行划分网格；施加条件模块对IGBT器件施加载荷和边界条件；温度分布模块对IGBT器件的三维模型进行温度求解，得到IGBT器件的芯片上表面温度和导热硅脂下表面的温度；计算热阻模块得到IGBT器件的稳态热阻。本发明可以对影响热分布的诸多因素进行计算机模拟,计算结果通过图形化显示直观的温度场分布。

Description

一种获得IGBT器件热阻的系统和方法
技术领域
本发明属于大功率器件的技术领域，特别涉及一种获得IGBT器件热阻的系统和方法。
背景技术
IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）在逆变器、不间断电源(UPS)、逆变电焊机以及电机调速的变频器等应用广泛，近年来随着人们对电力电子装置要求的日渐提高，电子设备及系统正向小型化、多功能方向发展，IGBT也正在向小尺寸、大功率的方向发展，但这也引起了IGBT器件的高热流密度，人们不得不对热设计技术进行进一步的探索来适应这一新趋势。IGBT的热特性直接影响着器件的电特性和寿命，一般我们用热阻值来描述器件的稳态热特性，我们一般用测量的方法来得到。
传统测试器件热阻值的方法主要是热偶测试法。它由热阻的定义式（1）可以看出：
R th - JC = T J - T C P - - - ( 1 )
其中TJ是指结温，TC是指壳温，P是指施加在器件上的功率，Rth-JC是指器件的结壳热阻。在求得结温，壳温，及施加在器件上的功率之后，根据上式即可算出该器件的热阻。其中结温TJ的获取是重点，一般我们选取小电流下的集电极-发射极电压Vce作为热敏参数（TSP），原因是在小电流下半导体器件结电压随温度的变化往往是线性的。通过读出在不同温度下器件的集射极电压来获取温度系数αVce，具体如式（2）和式（3）所示：
αVce＝（VCE1-VCE2）/（T2-T1）   (2)
进而:
T J = T J 0 + ΔVce α Vce - - - ( 3 )
其中TJ0为待测器件未施加加热功率前的初始结温；ΔVce为因施加加热功率引起的结温变化量，即结温温升；αVce是温度系数。而壳温的获取则相对简单，可以直接用热偶来进行测试。
图1是传统方法进行IGBT热阻测试的电路图，其中DUT是待测器件，Ic1是小的测试电流，对于IGBT等大功率高压器件来说，这个值一般选10mA，它是用来探测加热之后的Vce的变化，进而算出结温的变化。Ic2是加热电流，用来对DUT施加功率来使结温温度上升。R2是测量电流的电阻器，此处可采用其他任何适当的电流探头替代。
现有技术的主要不足之处主要有以下几个方面：
1、耗时：传统的热偶测试法测试器件的热阻值用时非常长，一般需要一两个小时。如果想在测试的过程中探究某个参量对热阻值的影响，那么每改变一次参量，就得重新测试一次，所用时间非常长，随之也不可避免的带来了耗能的问题；
2、测试不够准确：实验是用热偶测试的壳温，但壳温很难准确测试出来。这是因为器件封装外壳要与散热器紧密相连，但在它们之间又要放置热偶，所以不得不在散热器上凿孔，这将扭曲温度场的分布进而对实验结果造成影响。并且热偶测试的到底是壳温还是散热器的温度，亦或是二者之间的一个温度呢？
3、所得信息量单一。用热偶测试法测试器件的热阻的过程，只能得到器件的壳温，结温，施加的功率，以及器件的热阻值，所得到的信息量较为单一。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种获得IGBT器件热阻的系统和方法，解决了现有技术中获得IGBT器件热阻效率低下和信息量单一的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种获得IGBT器件热阻的系统，包括建模模块、网格划分模块、施加条件模块、温度分布模块和计算热阻模块；
其中，所述建模模块根据IGBT器件的组件的特性参数建立三维模型；
所述网格划分模块将所述三维模型进行划分网格；
所述施加条件模块对所述IGBT器件施加载荷和边界条件；
所述温度分布模块根据所述施加载荷和边界条件和所述划分网格，对所述IGBT器件的三维模型进行温度求解，得到所述IGBT器件的芯片上表面温度和导热硅脂下表面的温度；
所述计算热阻模块根据所述施加施加载荷和边界条件、所述IGBT器件的芯片上表面温度和所述导热硅脂下表面的温度，得到所述IGBT器件的稳态热阻。
进一步地，所述组件的特性参数包括所述组件的尺寸、材料和所述材料的导热系数。
进一步地，所述施加的载荷及边界条件包括施加功率和施加的对流换热。
一种获得IGBT器件热阻的方法，包括如下步骤：
根据IGBT器件的组件的特性参数建立三维模型；
将所述三维模型进行划分网格；
对所述IGBT器件施加载荷和边界条件；
根据所述施加载荷和边界条件和所述划分网格，对所述IGBT器件的三维模型进行温度求解，得到所述IGBT器件的芯片上表面温度和导热硅脂下表面的温度；
根据所述施加载荷和边界条件、所述IGBT器件的芯片上表面温度和所述导热硅脂下表面的温度，得到所述IGBT器件的稳态热阻。
进一步地，所述建立三维模型的方法具体包括如下步骤：
根据所述组件的尺寸，画出所述组件的三维立体图，将所述组件的三维立体图进行位置上的排列，给所述组件填充相应的物理材料，得到所述IGBT器件的三维模型。
进一步地，所述得到IGBT器件的稳态热阻的具体步骤如式（4）所示：
R = ΔT P - - - ( 4 )
其中，ΔT指的是IGBT器件的芯片上表面与导热硅脂下表面的温度之差，P即为施加的载荷功率，R为IGBT器件的热阻。
进一步地，所述划分网格的单元格尺寸在1mm以下。
进一步地，所述施加的对流换热系数为4000W/m2.℃。
本发明提供的一种获得IGBT器件热阻的系统和方法，可以对影响热分布的诸多因素(部件几何尺寸、分布状态、导热材料的传热系数、周围环境等)进行计算机模拟,计算结果通过图形化显示直观的温度场分布，所得的信息较多，对实际的测量工作具有重要的参考价值。
附图说明
图1为现有技术提供的IGBT热阻测试的电路图。
具体实施方式
本发明实施例提供的一种获得IGBT器件热阻的系统，包括建模模块、网格划分模块、施加模块、温度分布模块和计算热阻模块；
其中，建模模块根据IGBT器件的特性参数建立三维模型，其中特性参数包括每个组件的尺寸，材料，及材料的导热系数；
网格划分模块将三维模型进行网格划分；
施加模块对IBGT器件施加载荷及边界条件，其中，载荷及边界条件包括施加功率和施加的对流换热；
温度分布模块根据施加载荷和边界条件和划分网格，对IGBT器件的三维模型进行温度求解，得到IGBT器件的芯片上表面温度和导热硅脂下表面的温度；
所述计算热阻模块根据施加施加载荷和边界条件、IGBT器件的芯片上表面温度和导热硅脂下表面的温度，得到IGBT器件的稳态热阻。
一种获得IGBT器件热阻的方法，包括如下步骤：
步骤101：根据IGBT器件的特性参数建立三维模型，具体为：
建立三维模型的方法具体包括如下步骤：
表1：IGBT器件的特性参数表
模型组件 尺寸/厚度 材料 热导率（W/mk）
冷板 35*30*1.5mm3 铜 385
界面材料 21*15.8*0.05mm3 导热硅脂 1.2
框架 12.7*7.62*1.64mm3 铜合金 350
焊料 7.09*7.09*0.05mm3 SnAg25Sb10 50
背金层 6.69*6.69*0.00124mm3 Al-Ti-Ni-Ag 21.9
芯片 6.69*6.69*0.2mm3 硅 148
塑封料 21*15.8*3mm3 环氧树脂 0.17
步骤1011：根据表一所示尺寸，准确画出该模型中每个组件的三维立体图。为了露出IGBT器件内部的结构，我们只画出塑封材料的一半。
步骤1012：根据实际的物理模型，将步骤1所画的组件图进行位置上的排列；
步骤1013：结合实际的物理模型，根据表1，给每个组件填充相应的材料。
步骤102：将三维模型进行网格划分，具体为：
三维模型进行网格划分的具体包括如下步骤：
步骤1021：先对模型进行统一的网格划分，由于整个模型比较规则，我们选用六面体网格，选定单元尺寸为1mm，由于模型的横向尺寸远大于纵向尺寸，组件厚度不足1mm的，按其实际厚度进行划分；
步骤1022：对于此模型，我们需要重点关注的位置是芯片和导热硅脂，故我们对这两个组件的网格划分进行细化，虽然网格划分越细密，具体见表2，所得结果越精确，但考虑到大量的单元需要很大的计算资源（内存、运行时间），在不影响计算精度的前提下，我们选定这两个组件的单元尺寸为0.3mm。
表2不同网格密度对温度分布的影响
单元尺寸（mm） 0.5 0.8 1 2 3
芯片上表面温度(℃) 124.13 124.28 124.3 127.08 135.46
导热硅脂下表面温度(℃) 105.69 105.62 105.55 106.21 111.34
从图中可看出在划分网格时，单元格尺寸在1mm及以下变化时，对该模型的温度分布影响很小，说明此时的网格密度已能满足模型温度的正确分布。但单元格尺寸大于1mm时，单元格尺寸的变化对该模型温度分布影响较大，说明此时的网格分布过于稀疏。在兼顾计算精度与时间的基础上我们选择单元网格尺寸为1mm。
根据表一中所列出的数据定义单元及材料的属性，完成后开始对此模型进行网格划分即模型的离散化过程。网格划分的好坏直接影响计算求解的收敛程度和分析结果的准确性，因为所涉及的模型比较特殊，模型的横向尺寸远大于其纵向尺寸，给划分网格带来一定的难度。在兼顾计算精度与计算时间的基础上，由于芯片附近和导热硅脂附近的温度分布是我们关注的重点，在划分网格时我们将这两个区域的网格划分进行细化，其他部分在不影响计算精度的前提下，适当选择网格密度即可。
网格划分可以理解成把一个复杂的实体模型分成若干简单的模型，而这些简单的个体之间又相互联系，相互约束，构成整个结构。求解这些简单的结构，就能得到整体的变化趋势，网格越细致整齐，结果就越精确，网格粗糙，结果就会有较大误差。网格划分步骤为下面的求解提供了基础。对器件施加载荷及边界条件是为了模拟实际试验中所加的条件，根据这些条件才能进行最终的求解。
步骤103：对IGBT器件施加载荷及边界条件，具体为：
施加载荷及边界条件的具体包括如下步骤：
由于系统的温度较低，可忽略IGBT与环境之间的热辐射，认为只存在热传导和对流两种换热方式。因为此处的目的主要是模拟IGBT器件的稳态热阻值，IGBT内部的传热过程主要为热传导，通过铜基板同外界环境进行对流换热。我们所加的边界条件如下：
步骤1031：因为实际工作中，热源是芯片的pn结，故我们把功率施加在芯片表面，结合实际结温升的情况，我们施加功率170W；
步骤1032：整个器件封装在塑封料中，而塑封料导热性很低。可以认为IGBT产生的热量只通过铜基板底面向外界传递，其它边界面上均为绝热边界条件，也即热量沿一维路径传递。参见表3，设置正确的对流条件则是为了模拟器件正常工作时散热器的的散热效果，进而使模拟效果更加逼真。我们在实际的测试过程中，当施加170W的功率时，结温大约为125℃，铜基板与热空气进行自由对流来进行冷却，铜基板底面施加的对流换热系数为4000W/m2.℃；
表3对流换热系数与芯片上表面温度和导热硅脂下表面温度之间的关系
步骤1033：假定在导热过程当中两种材料的接触良好，分界面上温度与热流密度连续。
步骤104：根据施加载荷和边界条件和划分网格，对IGBT器件的三维模型进行温度求解，利用温度探测器（Tempera ture Probe）来探测每层材料上下表面的温度，得到IGBT器件的芯片上表面温度和导热硅脂下表面的温度；
步骤105：我们选用根据式（4）,我们便可以求出每层材料的热阻以及整个器件总的稳态热阻，其中，式（4）为：
R = ΔT P - - - ( 4 )
其中，ΔT指的是IGBT器件的芯片上表面与导热硅脂下表面的温度之差，P即为施加的载荷功率，R为IGBT器件的热阻。
由于测量条件的不稳定性及测量工作的复杂性，给半导体器件的热特性的研究带来了一定的困难．采用仿真软件可有效的避免以上问题，可以对影响热分布的诸多因素(部件几何尺寸、分布状态、导热材料的传热系数、周围环境等)进行计算机模拟,计算结果通过图形化显示直观的温度场分布，所得的信息较多，对实际的测量工作具有重要的参考价值。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种获得IGBT器件热阻的系统，其特征在于，包括建模模块、网格划分模块、施加条件模块、温度分布模块和计算热阻模块；
其中，所述建模模块根据IGBT器件的组件的特性参数建立三维模型；
所述网格划分模块将所述三维模型进行划分网格；
所述施加条件模块对所述IGBT器件施加载荷和边界条件；
所述温度分布模块根据所述施加载荷和边界条件和所述划分网格，对所述IGBT器件的三维模型进行温度求解，得到所述IGBT器件的芯片上表面温度和导热硅脂下表面的温度；
所述计算热阻模块根据所述施加载荷和边界条件、所述IGBT器件的芯片上表面温度和所述导热硅脂下表面的温度，得到所述IGBT器件的稳态热阻。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述组件的特性参数包括所述组件的尺寸、材料和所述材料的导热系数。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述施加的载荷及边界条件包括施加功率和施加的对流换热。
4.一种获得IGBT器件热阻的方法，其特征在于，包括如下步骤：
根据IGBT器件的组件的特性参数建立三维模型；
将所述三维模型进行划分网格；
对所述IGBT器件施加载荷和边界条件；
根据所述施加载荷和边界条件和所述划分网格，对所述IGBT器件的三维模型进行温度求解，得到所述IGBT器件的芯片上表面温度和导热硅脂下表面的温度；
根据所述施加施加载荷和边界条件、所述IGBT器件的芯片上表面温度和所述导热硅脂下表面的温度，得到所述IGBT器件的稳态热阻。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述建立三维模型的方法具体包括如下步骤：
根据所述组件的尺寸，画出所述组件的三维立体图，将所述组件的三维立体图进行位置上的排列，给所述组件填充相应的物理材料，得到所述IGBT器件的三维模型。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述得到IGBT器件的稳态热阻的具体步骤如式（4）所示：
R = ΔT P - - - ( 4 )
其中，ΔT指的是IGBT器件的芯片上表面与导热硅脂下表面的温度之差，P即为施加的载荷功率，R为IGBT器件的热阻。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述划分网格的单元格尺寸在1mm以下。
8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述施加的对流换热系数为4000W/m2.℃。
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