CN113935217A - 一种军用igbt模块瞬态参数和寄生参数仿真方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种军用IGBT模块瞬态参数和寄生参数仿真方法，包括：a、在Designer model建立IGBT模块多层结构的几何模型，所述几何模型包括DBC基板、芯片、铜底板、端子和引线；b、将所述几何模型导入Transient Thermal模块，计算所述IGBT模块开通过程的瞬态温度场，并提取开通时的瞬态热阻和稳态热阻；c、将Transient Thermal模块的温度场仿真结果导入Transient Structural模块，计算所述IGBT模块开通时的热应力场变化；d、将所述几何模型导入Q3D Extractor模块，计算所述IGBT模块开通过程的DBC基板上下铜层间的寄生电容，以及模型各节点的寄生电感。通过解析开通和关断过程的IGBT模块的响应，对瞬态参数和寄生参数进行仿真，为IGBT模块开通和关断的性能研究快速、准确提取关键参数。

Description

一种军用IGBT模块瞬态参数和寄生参数仿真方法
技术领域
本发明涉及半导体模块有限元仿真技术领域，尤其涉及一种军用IGBT模块瞬态参数和寄生参数仿真方法。
背景技术
IGBT模块是由BJT和MOS组合的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，广泛运用在舰船电源、导弹发射车、坦克控制系统、雷达电源等武器装备系统中。国外军用级和宇航级IGBT对国内禁运，国内主要通过大量进口英飞凌三菱等产品再进行筛选的方式来满足使用需求，进口依存度高。而且，进口模块多为工业级产品，缺乏耐宇航恶劣环境封装设计，可靠性低。《中国制造2025》明确指出，要开发解决影响核心基础零部件产品性能和稳定性的关键共性技术，加大基础专用材料研发力量，提高专用材料自给保障能力和制备水平。因此IGBT模块国产化，弥补军用大功率模块封装领域的空白势在必行。
军用IGBT模块的开通关断参数直接影响了模块的开关速率和长时间恶劣环境服役条件下的可靠性，这些参数主要有热阻、应力和寄生参数。
对大功率IGBT器件而言，工作时施加在器件上的功率大部分被转化为热量，使模块工作温度升高。热阻是指热流(功率)流过导热体时所受到的阻力(会在导热体上产生温差)，是与材料和结构相关的器件本征参数，决定了器件升温的多少。IGBT模块的热阻通常考虑的是从芯片到器件外壳(底面中点)的结壳热阻，计算公式如下：
Figure BDA0003314288890000021
Tj为芯片结温，Tc为器件外壳温度，P为耗散功率。其中耗散功率可以直接从设备中读出。因此，仿真得到功率器件的热阻关键是得到芯片结温(Tj)和器件封装外壳温度(Tc)。
瞬态应力是模块开通和关断所承载力学冲击的衡量指标，该参数表征模块的开通关断性能。对于脆性材料，开通关断过程的最大应力需小于断裂应力；对于刚性材料，累积的塑性应变需小于断裂应变。
IGBT模块开通后，栅极-集电极电压UGE开始上升，在时间t3处，UGE上升到阈值电压UGE(TO)，这时集电极电路IC开始上升，集电极电流的上升产生了电流变化率
Figure BDA0003314288890000022
同时由于换流通路中的杂散电感，导致UCE迅速下降：
Figure BDA0003314288890000023
当IGBT模块关断时，由于换流回路中的杂散电感，集-射极电压会出现过冲，集-射极最大电压为：
Figure BDA0003314288890000024
当UCE，max高于阻断电压UCES时，器件会失效，在相同的
Figure BDA0003314288890000025
下，杂散电感Lσ的数值越大，开通和关断时越容易过冲失效。
瞬态参数由模块的结构、材料和电路流通情况共同决定。热阻和寄生电阻通过试验测得，但无法在设计阶段得到。局部应力等参数难以通过试验测得。
发明内容
为克服IGBT模态瞬态参数难以试验测量的缺点，本发明提供一种军用IGBT模块瞬态参数和寄生参数仿真方法。
为实现上述发明目的，本发明的技术方案是：
本发明提供一种军用IGBT模块瞬态参数和寄生参数仿真方法，包括：
a、在Designer model建立IGBT模块多层结构的几何模型，所述几何模型包括DBC基板、芯片、铜底板、端子和引线；
b、将所述几何模型导入Transient Thermal模块，计算所述IGBT模块开通过程的瞬态温度场，并提取开通时的瞬态热阻和稳态热阻；
c、将Transient Thermal模块的温度场仿真结果导入Transient Structural模块，计算所述IGBT模块开通时的热应力场变化；
d、将所述几何模型导入Q3D Extractor模块，计算所述IGBT模块开通过程的DBC基板上下铜层间的寄生电容，以及模型各节点的寄生电感；
e、将所述几何模型和所述步骤c的稳态温度分布作为初始值导入TransientThermal模块，计算所述IGBT模块关断时的瞬态温度场，并提取关断时的瞬态热阻和稳态热阻；
f、将所述步骤d的瞬态温度场仿真结果导入Transient Structural模块，计算所述IGBT模块开通时的热应力场变化；
g、将所述几何模型导入Q3D Extractor模块，设置各单元电流流通的源漏极，计算所述IGBT模块开通过程的DBC基板上下铜层间的寄生电容，以及模型各节点的寄生电感。
进一步地，所述步骤b以IGBT芯片作为热源，并提取所述IGBT芯片的瞬态热阻和稳态热阻。
进一步地，所述步骤b采用transient thermal模块，通过对所述IGBT模块的开通过程设置不同计算子步，对开通过程的瞬态热阻进行快速精确计算。
进一步地，所述步骤c将开通过程全程的温度场导入Transient Structural模块计算瞬态应力场，确定所述IGBT模块使用过程中的应力集中点。
进一步地，所述步骤d和所述步骤g均同时对直流和交流时的寄生电感进行仿真。
进一步地，所述步骤e将所述IGBT模块开通后的稳态温度场分布作为初始值导入Transient Thermal模块，以IGBT芯片作为热源，并计算关断过程的FRD芯片的瞬态热阻和稳态热阻。
进一步地，所述步骤f根据所述IGBT模块关断时的电流流通状态，计算关断时所述几何模型各节点自身和节点间的寄生参数。
进一步地，所述芯片包括IGBT芯片和FRD芯片。
本发明的有益效果：
根据本发明的构思，利用有限元仿真，将IGBT模块的稳态仿真拓展至瞬态仿真，仿真开通和关断过程的IGBT模块温度和应力场的变化，得到IGBT模块的瞬态热阻、应力分布；仿真IGBT模块的寄生参数，得到寄生电阻、寄生电容和寄生电感。通过解析开通和关断过程的IGBT模块的响应，对瞬态参数和寄生参数进行仿真，为IGBT模块开通和关断的性能研究快速、准确提取关键参数，缩短研发时间。
根据本发明的一个方案，将现有的热阻瞬态仿真扩展至瞬态仿真，采用瞬态温度场仿真手段，通过考虑芯片导热率等关键参数的温度相关性，合理进行网格划分，并分段设置仿真时间，提升了仿真速度，同时保证了初始阶段的计算精度，在几何模型建立后即可得到开通和关断的瞬态/稳态热阻。
根据本发明的一个方案，建立瞬态应力场仿真模型，将温度仿真结果作为初始值导入，考虑材料的塑性和粘塑性，仿真开关过程模块的力学响应，得到IGBT模块应力集中点，对过应力失效进行定位，为IGBT模块结构的优化和失效分析提供仿真结果支撑。
根据本发明的一个方案，采用Q3D Extractor仿真软件，设计初期对寄生电阻、寄生电容和寄生电感进行快速有限的计算，减少过冲失效，缩短研发时间，确保IGBT模块产品开通关断性能。
附图说明
图1示意性表示本发明的一种实施方式的一种军用IGBT模块瞬态参数和寄生参数仿真方法流程图；
图2示意性表示本发明的一种实施方式的一种军用IGBT模块瞬态参数和寄生参数仿真方法中IGBT模块几何结构示意图；
图3示意性表示本发明的一种实施方式的一种军用IGBT模块瞬态参数和寄生参数仿真方法中IGBT模块的芯片和DBC上铜层几何结构示意图；
图4示意性表示本发明的一种实施方式的一种军用IGBT模块瞬态参数和寄生参数仿真方法中IGBT模块的DBC陶瓷层和下铜层几何结构示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细地描述，实施方式不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施方式。
本发明的一种实施方式的一种军用IGBT模块瞬态参数和寄生参数仿真方法的发明构思是：建立仿真三维有限元几何模型，通过对IGBT模块瞬态开通过程的物理过程进行量化计算，得到开通和关断过程的温度场和应力场，设计阶段获取IGBT模块瞬态热阻、应力等关键参数。通过对模块寄生电阻、寄生电容和寄生电感等参数的计算，解决模块寄生参数难以测量，测量耗时长的问题，能快速、精确地对在研模块提供支撑。
本实施方式的对军用IGBT模块瞬态参数和寄生参数进行仿真的实现方法步骤如图1所示。
(a)构建瞬态仿真三维有限元几何模型。
上述几何模型的主要结构如图2所示，包括芯片1、DBC基板2、铜底板3、端子4和引线5。其中，如图3所示，芯片1包括IGBT芯片11和FRD芯片12。IGBT芯片11作为主要热源，在IGBT模块的几何模型开关时发热，FRD芯片12在IGBT模块的几何模型关断时工作，防止电流损伤IGBT芯片11。如图3和图4所示，DBC基板2包括上铜层21、陶瓷层22和下铜层23，其中，下铜层23有减应力环24。对于三维引线5，具体仿真构建其模型的过程为先构建3D curve和圆形截面，再通过sweep扫描的形式形成三维实体，Pattern后形成引线阵列，如图1所示。
(b)在Ansys transient thermal模块中计算IGBT模块开通过程的热阻参数。具体过程如下：
首先，设置载荷和约束内容：IGBT模块开通过程中IGBT芯片11导通发热，FRD芯片12关断，将IGBT芯片11设置为热源，在intern Heat Generation为芯片实体加载单位功率。IGBT模块底板与热沉主要通过对流换热将热量导出，同时考虑其它表面与空气的对流换热。
其次，设置网格和材料内容：在transient thermal模块中，采用squrd和sweep方式进行网格划分，通过sizing控制网格大小，对铜底板的网格粗化，并对IGBT芯片11、FED芯片12层的网格细化。在Engineer Data中设置材料参数，并考虑硅和铜的温度相关性，设置密度、各向同性热导率和热容随温度变化。
最后，计算求解：在Analysis Setting中对IGBT模块的开通过程设置多个计算子步，从10-5s开始，10-4s、10-3s、10-2s和10-1s每次方设置一个子步，直至瞬态温度分布趋于稳定。通过调整每个子步的最大步长和最小步长，控制每步前进的时间，提取IGBT模块的最高温度和对应芯片正下方铜底板3的温度，用温度差除以功率，计算出瞬时热阻，并绘制瞬时热阻-时间表。瞬态热阻稳定后的值即为稳态热阻。
(c)在Ansys transient structural模块中计算IGBT模块开通过程的应力响应。
首先，设置载荷和约束内容：在workbench模块中，调用transient structural模块，关联transient thermal中的results和transient structural中的model，将计算得到的瞬态温度作为热载荷输入。约束IGBT模块四角的变形，采用温度场相同的和步长，计算IGBT模块开通过程热应力的变化。
其次，设置网格和材料内容：硅和陶瓷多为脆性材料，选择弹塑性本构方程。铜为塑形材料，选择刚塑性本构方程。焊料为粘塑性材料，选择Anand本构方程。在engineeringdata模块中输入对应的材料参数值进行非线性应力场仿真。
最后，计算求解：提取IGBT模块各部分的最大应力值，确定应力集中点，比较IGBT模块开通过程中脆性材料的最大应力响应与材料的断裂参数，并判断是否会发生过应力断裂。比较IGBT模块开通过程中塑性材料的最大应力和材料屈服应力，判断塑性变形程度。
(d)在Q3D extractor模块中计算IGBT模块开通过程的寄生电容、寄生电感和寄生电阻参数。
首先，设置载荷和约束内容：将建立的几何模型导入Q3D extractor模块，根据IGBT模块开通过程的电路导通关系在Nets(几何模型节点)设置C、E、G等网格节点，并对每个节点设置source和sink。
其次，设置网格和材料内容：在Properties模块中为各层结构设置好材料参数，并在Mesh operations中设置网格粗细程度。
最后，计算求解：启动CG模块，设置该模块的使用频率，计算各Nets(几何模型节点)自身的寄生电容和Nets(几何模型节点)间的寄生电容。选择DC RL模块和AC RL模块，得到各自和DC RL模块与AC RL模块间的直流和交流作用下的寄生参数。
(e)在Ansys transient thermal模块中计算IGBT模块关断过程的热阻参数。
首先，设置载荷和约束内容：IGBT模块关断时，IGBT芯片11停止工作和发热，FRD芯片12阻断流向IGBT芯片11的电流。将步骤(b)计算得到的稳态工作时的IGBT模块的稳态温度分布作为初始值，并将FRD芯片12设置为热源，用intern Heat Generation为芯片实体加载单位功率，其余散热条件与开通过程一致。
其次，设置网格和材料内容：网格和材料与开通过程温度场设置一致。
最后，计算求解：步长设置与瞬态温度场一致，提取FRD芯片12的最高温度和对应芯片正下方铜底板3的温度，用温度差除以功率，计算IGBT模块关断过程的瞬时热阻。绘制瞬时热阻-时间表，瞬态热阻稳定后的值即为稳态热阻。
(f)在Ansys transient stress模块中计算IGBT模块关断过程的瞬态场应力在场变化。
将IGBT模块关断过程的温度场作为初始值导入Ansys transient stress模块，其余部分与步骤(c)中IGBT模块开通过程的应力场设置一致。
(g)在Ansys Q3D extractor模块中计算IGBT模块关断过程的寄生电容、寄生电感和寄生电阻参数。
首先，设置载荷和约束内容：将建立的几何模型导入Q3D extractor模块，根据关断过程的IGBT模块中电路的导通关系或电流流通状态在Nets设置C、E、G等节点，并对每个节点设置source和sink。
其次，设置网格和材料内容和计算求解：与步骤(d)IGBT模块开通过程的寄生参数仿真的设置一致。
以上所述仅为本发明的一个实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种军用IGBT模块瞬态参数和寄生参数仿真方法，包括：
a、在Designer model建立IGBT模块多层结构的几何模型，所述几何模型包括DBC基板、芯片、铜底板、端子和引线；
b、将所述几何模型导入Transient Thermal模块，计算所述IGBT模块开通过程的瞬态温度场，并提取开通时的瞬态热阻和稳态热阻；
c、将Transient Thermal模块的温度场仿真结果导入Transient Structural模块，计算所述IGBT模块开通时的热应力场变化；
d、将所述几何模型导入Q3D Extractor模块，计算所述IGBT模块开通过程的DBC基板上下铜层间的寄生电容，以及模型各节点的寄生电感；
e、将所述几何模型和所述步骤(c)的稳态温度分布作为初始值导入TransientThermal模块，计算所述IGBT模块关断时的瞬态温度场，并提取关断时的瞬态热阻和稳态热阻；
f、将所述步骤(d)的瞬态温度场仿真结果导入Transient Structural模块，计算所述IGBT模块开通时的热应力场变化；
g、将所述几何模型导入Q3D Extractor模块，设置各单元电流流通的源漏极，计算所述IGBT模块开通过程的DBC基板上下铜层间的寄生电容，以及模型各节点的寄生电感。
2.根据权利要求1所述的仿真方法，其特征在于，所述步骤(b)以IGBT芯片作为热源，并提取所述IGBT芯片的瞬态热阻和稳态热阻。
3.根据权利要求2所述的仿真方法，其特征在于，所述步骤(b)采用transient thermal模块，通过对所述IGBT模块的开通过程设置不同计算子步，对开通过程的瞬态热阻进行快速精确计算。
4.根据权利要求1所述的仿真方法，其特征在于，所述步骤(c)将开通过程全程的温度场导入Transient Structural模块计算瞬态应力场，确定所述IGBT模块使用过程中的应力集中点。
5.根据权利要求1所述的仿真方法，其特征在于,所述步骤(d)和所述步骤(g)均同时对直流和交流时的寄生电感进行仿真。
6.根据权利要求1所述的仿真方法，其特征在于，所述步骤(e)将所述IGBT模块开通后的稳态温度场分布作为初始值导入Transient Thermal模块，以IGBT芯片作为热源，并计算关断过程的FRD芯片的瞬态热阻和稳态热阻。
7.根据权利要求1所述的仿真方法，其特征在于，所述步骤(f)根据所述IGBT模块关断时的电流流通状态，计算关断时所述几何模型各节点自身和节点间的寄生参数。
8.根据权利要求1所述的仿真方法，其特征在于，所述芯片包括IGBT芯片和FRD芯片。
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