CN115408965B - 一种高功率芯片绝缘封装局部场强优化方法及设备 - Google Patents

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CN115408965B CN202211341594.3A CN202211341594A CN115408965B CN 115408965 B CN115408965 B CN 115408965B CN 202211341594 A CN202211341594 A CN 202211341594A CN 115408965 B CN115408965 B CN 115408965B
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Abstract

本申请公开了一种高功率芯片绝缘封装局部场强优化方法及设备，用以解决如下技术问题：现有的介电功能梯度结构中介电常数的分布方式与材料参数的选取存在不合理性。方法包括：构建高功率芯片对应的二维仿真模型，并基于变密度优化算法在所述二维仿真模型的硅凝胶内构建介电功能梯度结构；通过所述介电功能梯度结构，构建所述高功率芯片对应的局部场强优化模型；提取所述局部场强优化模型中的可调整参数，并确定所述可调整参数的取值范围；对所述介电功能梯度结构对应的介电功能梯度区域进行调整。

Description

一种高功率芯片绝缘封装局部场强优化方法及设备
技术领域
本申请涉及高功率电力电子器件绝缘技术领域，尤其涉及一种高功率芯片绝缘封装局部场强优化方法及设备。
背景技术
作为承担能量变换与传输的核心部件，功率模块的高压化、高功率密度化和小型化成为后摩尔时代功率器件发展的主要方向。相比于传统的硅基半导体器件，第三代宽禁带半导体器件（如SiC，GaN等）以其功率密度高、开关速度快、自保护能力强、控制准确灵活等优点在柔性直流输电和电力电子设备中得到了广泛应用。
但受限于封装绝缘技术，现有高功率模块的绝缘耐压水平远未达到宽禁带半导体材料的极限参数，严重制约了功率模块的市场化进程。目前商用SiC-IGBT（第三代半导体）模块的最高耐受电压为24kV，最大运行电流高达80A。由于功率模块芯片附近硅凝胶、AlN陶瓷基板以及金属层组成的三结合点处介电常数不匹配，加上制造过程中金属层化学腐蚀以及键合线焊接工艺造成部分金属层边缘产生尖刺，使得场强发生畸变。随着功率模块电压等级的提升，绝缘内部电场畸变导致的芯片周围绝缘放电击穿问题亟需解决。
功率模块主要由硅凝胶、上下金属层以及AlN陶瓷基板组成，其中电场畸变主要发生在硅凝胶中。介电功能梯度结构可以针对性地解决上述问题，但其介电常数的分布方式和材料参数的选取往往存在不合理性，会对场强优化结果产生不良影响。
发明内容
本申请实施例提供了一种高功率芯片绝缘封装局部场强优化方法及设备，用以解决如下技术问题：现有的介电功能梯度结构中介电常数的分布方式与材料参数的选取存在不合理性。
一方面，本申请实施例提供了一种高功率芯片绝缘封装局部场强优化方法，所述方法包括：构建高功率芯片对应的二维仿真模型，并基于变密度优化算法在所述二维仿真模型的硅凝胶内构建介电功能梯度结构；通过所述介电功能梯度结构，构建所述高功率芯片对应的局部场强优化模型，以对所述介电功能梯度结构的材料分布进行优化；提取所述局部场强优化模型中的可调整参数，并确定所述可调整参数的取值范围，以获取最优的模型优化参数的取值范围；对所述介电功能梯度结构对应的介电功能梯度区域进行调整。
在本申请说明书的一个或多个实施例中，在基于变密度优化算法在所述二维仿真 模型的硅凝胶内构建介电功能梯度结构之后，所述方法还包括：对所述二维仿真模型进行 网格划分；根据网格划分结果，确定介电常数优化变量
Figure 446188DEST_PATH_IMAGE001
：
Figure 227062DEST_PATH_IMAGE002
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
为场强优化区域，（x，y）为场强优化区域中的点，
Figure 743494DEST_PATH_IMAGE004
为场强优化区域对应的 密度变量，
Figure DEST_PATH_IMAGE005
为指数项，
Figure 600722DEST_PATH_IMAGE006
分别为介电常数优化变量
Figure 937026DEST_PATH_IMAGE001
的最大值与最小值。
在本申请说明书的一个或多个实施例中，在确定介电常数优化变量
Figure 256012DEST_PATH_IMAGE001
之后，所述方 法还包括：确定电场均匀度子目标函数
Figure 626950DEST_PATH_IMAGE007
与电场强度子目标函数
Figure 373189DEST_PATH_IMAGE008
；其中，
Figure 196789DEST_PATH_IMAGE009
其中，E为场强优化区域的场强，
Figure 568733DEST_PATH_IMAGE010
为场强优化区域的平均场强，C为电场 均匀度系数，Cref为初始C值；E s为所述二维仿真模型三结合点处的当前场强，E mean,all为所述 二维仿真模型整体绝缘区域的平均场强。
在本申请说明书的一个或多个实施例中，在确定电场均匀度子目标函数
Figure 528599DEST_PATH_IMAGE007
与电场 强度子目标函数
Figure 445739DEST_PATH_IMAGE008
之后，所述方法还包括：确定惩罚函数
Figure 22214DEST_PATH_IMAGE011
：
Figure 683003DEST_PATH_IMAGE012
其中，msize为网格划分出的单元大小，S为场强优化区域W的面积；确定第一权重系数w与第二权重系数q；
根据所述介电常数优化变量
Figure 497375DEST_PATH_IMAGE001
、所述电场均匀度子目标函数
Figure 867308DEST_PATH_IMAGE007
、所述电场强度子目 标函数
Figure 399920DEST_PATH_IMAGE008
、所述惩罚函数
Figure 598820DEST_PATH_IMAGE011
、所述第一权重系数w以及所述第二权重系数q，构建所述局部场 强优化模型。
在本申请说明书的一个或多个实施例中，所述可调整参数至少包括以下任一项或 者多项：指数项
Figure 533278DEST_PATH_IMAGE005
、第一权重系数w、第二权重系数q以及介电常数优化变量最大值
Figure 323380DEST_PATH_IMAGE013
；其中， 在所述局部场强优化模型中，所述指数项α用于控制介电常数优化变量
Figure 77709DEST_PATH_IMAGE001
随密度变量
Figure 860726DEST_PATH_IMAGE004
的变 化速度；所述第一权重系数w用于确定电场均匀度子目标函数
Figure 649691DEST_PATH_IMAGE007
与电场强度子目标函数
Figure 345114DEST_PATH_IMAGE008
在 总目标函数f中的所占比重；所述第二权重系数q用于表征所述局部场强优化模型抑制求解 过程中数值不稳定的能力。
在本申请说明书的一个或多个实施例中，确定所述可调整参数的取值范围，具体 包括：确定所述指数项
Figure 852319DEST_PATH_IMAGE005
的取值范围为10-3~103，初始值为1；确定所述第一权重系数w的取值 范围为0~1，初始值为0.5；确定所述第二权重系数q的取值范围为10-3~103，初始值为1；通过 预设介电常数计算模型，确定所述介电常数优化变量最大值
Figure 658601DEST_PATH_IMAGE013
的取值范围为3.17~21.79。
在本申请说明书的一个或多个实施例中，对所述介电功能梯度结构对应的介电功能梯度区域进行调整，具体包括：确定所述介电功能梯度区域对应的横向宽度分布范围与纵向高度分布范围；生成所述横向宽度分布范围与场强利用率之间的第一对应关系，以及生成所述纵向高度分布范围与场强利用率之间的第二对应关系；其中，所述场强利用率用于指示所述二维仿真模型整体绝缘区域的平均场强与所述二维仿真模型整体绝缘区域的电场强度之间的比值；基于所述第一对应关系与所述第二对应关系，调整所述介电功能梯度区域对应的横向宽度与纵向高度。
在本申请说明书的一个或多个实施例中，在对所述介电功能梯度结构对应的介电 功能梯度区域进行调整之后，所述方法还包括：确定场强评估点；通过调整所述硅凝胶内的 介电常数优化变量
Figure 302072DEST_PATH_IMAGE001
的分布范围，改变所述场强评估点处的场强利用率，以使所述场强利用 率达到最大；其中，所述场强评估点为与所述二维仿真模型三结合点存在预设距离的点。
在本申请说明书的一个或多个实施例中，在对所述介电功能梯度结构对应的介电 功能梯度区域进行调整之后，所述方法还包括：在可调整参数的取值范围内，确定所述可调 整参数的取值；将所述可调整参数的取值代入所述局部场强优化模型中，并迭代更新所述 局部场强优化模型中的密度变量
Figure 168397DEST_PATH_IMAGE004
，直至相邻两次总目标函数f的变化量低于预设变化量阈 值；通过预设探针获取介电常数优化变量
Figure 913630DEST_PATH_IMAGE001
的分布与所述二维仿真模型三结合点处的场强 分布。
另一方面，本申请实施例还提供了一种高功率芯片绝缘封装局部场强优化设备，所述设备包括：处理器；以及，存储器，其上存储有可执行指令，当所述可执行指令被执行时，使得所述处理器执行如上述的一种高功率芯片绝缘封装局部场强优化方法。
本申请实施例提供的一种高功率芯片绝缘封装局部场强优化方法及设备，具有以下有益效果：以优化高压大功率电力电子模块三结合点处电场强度以及提升整体绝缘场强均匀度为目标，提出了综合数学优化和结构优化的优化方法。基于上述方法，研究了各种参数对场强优化效果的影响，并在达到相同优化效果的基础上进一步缩小了高介电常数区域。给出了介电功能梯度结构对应材料介电常数的取值范围和分布范围指南，并通过有限元仿真进行了验证。具体地，在构建高压功率芯片二维仿真模型的基础上，基于数学优化思想构建了介电功能梯度结构并研究了局部场强优化模型中可调整参数对场强抑制效果的影响规律，进而确定了合理的介电常数的分布范围与材料参数的选取。这种优化策略结合了材料参数优化和分布方式优化的优势，从“控形”和“控性”两个角度为高压功率模块芯片的绝缘优化提供了理论指导。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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。在附图中：
图1为本申请实施例提供的一种高功率芯片绝缘封装局部场强优化方法流程图；
图2为本申请实施例提供的介电常数计算模型对比图；
图3为本申请实施例提供的介电功能梯度区域横向宽度优化曲线图；
图4为本申请实施例提供的介电功能梯度区域纵向高度优化曲线图；
图5为本申请实施例提供的一种应用场景下的，介电常数优化效果图；
图6为本申请实施例提供的一种应用场景下的，场强优化效果图；
图7为本申请实施例提供的一种高功率芯片绝缘封装局部场强优化设备结构图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本说明书实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
本申请实施例的目的在于提供一种高功率芯片绝缘封装局部场强优化方法，在构建二维仿真模型的基础上，基于变密度优化算法构建介电功能梯度结构，进而获得最优的介电功能梯度结构材料取值范围。然后，在材料优化的基础上对介电功能梯度结构对应的介电功能梯度区域进行优化，并以场强利用率和三结合点处电场强度作为评估指标对局部场强的优化效果进行评价。
下面通过附图对本申请实施例提出的技术方案进行详细的说明。
图1为本申请实施例提供的一种高功率芯片绝缘封装局部场强优化方法流程图。如图1所示，本申请实施例中的局部场强优化方法，至少包括以下执行步骤：
步骤101、构建高功率芯片对应的二维仿真模型，并在二维仿真模型内构建介电功能梯度结构。
本申请实施例提供的局部场强优化方法，首先需要构建高功率芯片的二维仿真模型，所谓高功率芯片指的是大功率电力电子模块中的芯片，构建芯片的二维仿真模型，后续的优化过程就可以都在二维仿真模型上实现，便于优化操作的实现以及优化结果的观察。
在本申请的一个示例中，前述二维仿真模型由硅凝胶、上下金属层以及AIN陶瓷基板组成，其中电场畸变主要发生在硅凝胶中，因此，在硅凝胶中通过变密度优化算法构建介电填料呈现环形分布的介电功能梯度结构，以降低二维仿真模型中由硅凝胶、金属层和AlN交界构成的三结合点处的场强，进而实现局部场强的优化。
进一步地，前述变密度优化算法的核心思想是将二维仿真模型的介电常数转换为网格密度的函数，这样一来，就需要在构建完二维仿真模型之后对该二维仿真模型进行网格划分，具体地划分方式及划分结果可以在实际应用中根据实际情况进行调整，本申请实施例在此不作限定。
步骤102、基于介电功能梯度结构，构建局部场强优化模型。
本申请实施例中构建介电功能梯度结构的目的是降低二维仿真模型中三结合点处的场强，以实现对局部场强进行的优化，因此，构建完介电功能梯度结构之后，可以通过构建局部场强优化模型，对介电功能梯度结构的材料参数先进行优化。
具体地，在完成网格划分之后，介电常数优化变量
Figure 523603DEST_PATH_IMAGE001
就可以表示为：
Figure 552739DEST_PATH_IMAGE002
其中，
Figure 324386DEST_PATH_IMAGE003
为场强优化区域，（x，y）指示场强优化区域中的点，
Figure 806182DEST_PATH_IMAGE004
为场强优化区域对应 的密度变量，
Figure 954267DEST_PATH_IMAGE005
为指数项，
Figure 87177DEST_PATH_IMAGE006
分别为介电常数优化变量
Figure 29725DEST_PATH_IMAGE001
的最大值与最小值。
需要说明的是，前述场强优化区域
Figure 733239DEST_PATH_IMAGE003
指的是二维仿真模型中绝缘材料所对应的区 域。
进一步地，本申请实施例中局部场强优化的优化目标是降低功率模块三结合点处 的场强并提高二维仿真模型整体绝缘的场强均匀度。因此，在确定介电常数优化变量
Figure 950594DEST_PATH_IMAGE001
之 后，还需要构建电场均匀度子目标函数
Figure 688743DEST_PATH_IMAGE007
与电场强度子目标函数
Figure 818504DEST_PATH_IMAGE008
，并且，优化后的
Figure 9314DEST_PATH_IMAGE007
的要 尽量大，以表征优化后的二维仿真模型的整体绝缘的场强尽量均匀，优化后的
Figure 499201DEST_PATH_IMAGE008
要尽量小， 以表征优化后的三结合点处的场强尽量小。
其中，电场均匀度子目标函数
Figure 91856DEST_PATH_IMAGE007
的表达式为：
Figure 907365DEST_PATH_IMAGE014
其中，E为场强优化区域的场强，
Figure 319892DEST_PATH_IMAGE010
为场强优化区域的平均场强，C为电场 均匀度系数，C ref为初始条件下的C值，用于消除介电功能梯度结构对应的介电功能梯度区 域的几何尺寸对场强优化结果的影响。
并且，电场强度子目标函数
Figure 613470DEST_PATH_IMAGE008
的表达式为：
Figure 569620DEST_PATH_IMAGE015
其中，E s为二维仿真模型三结合点处的当前场强，E mean,all为二维仿真模型中整体绝缘区域的平均场强。在本申请的一个示例中，整体绝缘区域与前述场强优化区域可以指向同一个区域，也即绝缘材料对应的区域。
在此基础上，还需要引入第一权重系数w调整f 1和f 2对总目标函数f的影响。同时需要引入惩罚函数f p，以消除由于场强优化问题的高度非线性以及局部场强优化模型的结构复杂性引起的棋盘格和网格依赖现象。惩罚函数f p表达式为：
Figure 290451DEST_PATH_IMAGE016
其中，m size为划分出的网格单元的大小，S为场强优化区域W的面积。系数m 2 size/S可以消除惩罚函数f p对局部场强优化模型结构的依赖，使模型仅与材料特性分布相关联，以实现介电功能梯度结构材料的优化。在优化过程中，当材料特性的分布过于复杂导致模型出现棋盘格、细小分枝、锯齿状边界等情况时，惩罚函数f p将会增大，以实现数值不稳定现象的有效抑制。
更进一步的，还需要确定惩罚函数所对应的第二权重系数q，以完成如下局部场强优化模型的构建：
Figure 455853DEST_PATH_IMAGE017
步骤103、提取局部场强优化模型中的可调整参数，并确定可调整参数的取值范围。
在完成局部场强优化模型的构建之后，提取模型中可以调整的参数，也即本申请 实施例中的可调整参数，至少包括：指数项
Figure 287543DEST_PATH_IMAGE005
、第一权重系数w、第二权重系数q以及介电常数 优化变量最大值
Figure 854790DEST_PATH_IMAGE013
；之后，就可以通过分析各个可调整参数的特性，来确定各个可调整参 数的取值范围。
在本申请实施例的一种或多种可能实现方式中，密度变量
Figure 746523DEST_PATH_IMAGE004
的指数项a用于控制介 电常数优化变量
Figure 884374DEST_PATH_IMAGE001
随密度变量
Figure 785334DEST_PATH_IMAGE004
的变化速度：当a=1时，介电常数优化变量
Figure 207088DEST_PATH_IMAGE001
与密度变量
Figure 269722DEST_PATH_IMAGE004
呈线 性关系；当a<1时，介电常数优化变量
Figure 409717DEST_PATH_IMAGE001
与密度变量
Figure 583209DEST_PATH_IMAGE004
呈对数关系；当a>1时，介电常数优化变 量
Figure 108737DEST_PATH_IMAGE001
与密度变量
Figure 342272DEST_PATH_IMAGE004
呈指数关系。因此，为了研究指数项a对模型介电常数分布范围的影响，将 其取值范围设定为10-3~103，初始值为a=1。
进一步地，参数q代表了惩罚函数f p在优化过程中的重要度，q值的大小将影响局部场强优化模型抑制求解过程中数值不稳定的能力。为了确定最优的权重系数，其取值范围应尽可能的大，因此，将其取值范围设定为10-3~103，初始值为q=1。
其次，参数w决定了电场均匀度子目标函数
Figure 969563DEST_PATH_IMAGE007
与电场强度子目标函数
Figure 946746DEST_PATH_IMAGE008
在总目标函 数f中的所占比重。在w较小时，侧重优化三结合点处的场强；在w较大时，侧重优化全局场强 分布的均匀性。因此，设定w的取值范围为0~1，初始值为w=0.5。
更进一步地，为了确定二维仿真模型中介电常数优化变量
Figure 608672DEST_PATH_IMAGE001
的最大值
Figure 13108DEST_PATH_IMAGE018
的变化 范围，假定其变化是通过调整高介电常数BaTiO3颗粒添加到硅凝胶基体中的体积分数实现 的。BaTiO3的相对介电常数为1235，硅凝胶的相对介电常数为2.7，两种材料复合后其介电 常数计算的5种模型分别为：
并联模型：
Figure 347269DEST_PATH_IMAGE019
Looyenga模型：
Figure 393722DEST_PATH_IMAGE020
Lichtenecker模型：
Figure 644575DEST_PATH_IMAGE021
Maxwell-Garrent模型：
Figure 219913DEST_PATH_IMAGE022
串联模型：
Figure 556216DEST_PATH_IMAGE023
其中，
Figure 875202DEST_PATH_IMAGE024
为连续相的介电常数，
Figure 229829DEST_PATH_IMAGE025
为离散相的介电常数，a为离散相含率。实验表 明，当硅凝胶中BaTiO3的体积分数大于15%时混合液会因粘度过高而无法流动。故本申请实 施例中设置BaTiO3的体积分数最大值为15%，5种模型计算所得的介电常数分别为187.5、 21.79、6.77、4.12、3.17，其对比结果如图2所示。
由图2可以发现，并联模型计算所得的复合介电常数最大，但这种模型要求填充粒 子在基体内的排列方向与电场线一致，通过现有的制备工艺难以实现。因此，本申请实施例 中选取介电常数最大值
Figure 241647DEST_PATH_IMAGE018
的取值范围为3.17~21.79，因此，介电常数优化变量
Figure 65247DEST_PATH_IMAGE001
的初始 值
Figure 922344DEST_PATH_IMAGE018
=21.79，最小值
Figure 147789DEST_PATH_IMAGE026
=2.7。
至此，完成局部场强优化模型中可调整参数的取值范围的确定过程，也即完成了二维仿真模型中介电功能梯度结构的材料参数的选取与优化。
步骤104、对所述介电功能梯度结构对应的介电功能梯度区域进行调整。
在材料参数优化的基础上，本申请实施例还对介电功能梯度结构的填充区域，也即介电功能梯度区域的横向宽度S d和纵向高度S h进行优化，以缩小介电功能梯度材料的填充范围。
图3为本申请实施例提供的介电功能梯度区域横向宽度优化曲线图；图4为本申请实施例提供的介电功能梯度区域纵向高度优化曲线图。如图3,、图4可知，初始介电功能梯度区域的横向宽度S d为0.85mm，纵向高度S h为0.6mm；在初始横向宽度与初始纵向高度的基础上，对横向宽度与纵向高度进行一定范围上的增加，生成了横线宽度与电场强度、场强利用率之间的曲线，以及纵向高度与与电场强度、场强利用率之间的曲线。
并且，由图3可知，随着横向宽度S d的增加，三结合点处的场强逐渐减小，整体的场 强利用率逐渐增大。在S d=1mm时，电场强度最小，为E=35.94kV/mm，场强利用率最大，为
Figure 330509DEST_PATH_IMAGE027
0.071。当S d>1mm时，场强利用率和电场强度基本保持不变。因此，本申请实施例中选择介电 功能梯度区域的横向宽度S d为1mm。以及，由图4可以看出，随着纵向高度S h由0.6mm增加到 0.9mm，场强利用率呈现先增加后减小的趋势，在S h=0.75mm时场强利用率达到最大值，为
Figure 126558DEST_PATH_IMAGE027
0.072。与此相反，三结合点处的场强呈现先下降后增加的趋势，在S h=0.75mm达到最小值， 为E=35.86kV/mm，因此，本申请实施例中选择介电功能梯度区域的纵向高度S h为0.75mm。
至此，完成介电功能梯度区域的优化过程，也即完成了整个局部场强的优化过程。
在本申请实施例的一种或多种可能实现方式中，还需要对场强优化的效果进行评价，具体地，为避免奇异值问题，可以确定一个场强评估点来代替三结合点，在本申请的一个示例中，使用距离三结合点横向和纵向10mm的T点来代替三结合点（参见图6中的T-Point）。同时，在优化评价过程中以场强利用率作为电场均匀程度的评价指标，其表达式为：
Figure 787346DEST_PATH_IMAGE028
其中，0 <
Figure 867298DEST_PATH_IMAGE029
< 1，E mean,all和E max,all分别代表二维仿真模型整体绝缘区域的平均电场 强度和最大电场强度。电场利用率
Figure 220919DEST_PATH_IMAGE029
越接近1，说明电极-绝缘结构内的电场分布越均匀，也 即说明场强优化效果越好。
为了使本申请实施例中的局部场强优化方法描述更易理解，本申请实施例还进行了如下场景的举例说明。
在拿到一个需要优化的高功率模块/芯片之后，先根据该高功率芯片的真实结构 构建其对应的二维仿真模型，并对二维仿真模型进行网格划分，然后，根据前述可调整参数 （也即材料参数）的取值范围，设置二维仿真模型中硅凝胶的介电参数，之后，将可调整参数 的取值代入前述局部场强优化模型中，并迭代更新局部场强优化模型中的密度变量
Figure 753531DEST_PATH_IMAGE004
，直至 相邻两次总目标函数f的变化量低于预设变化量阈值，此时迭代停止，通过预设探针获取此 时的介电常数优化变量
Figure 483590DEST_PATH_IMAGE001
的分布与二维仿真模型三结合点处的场强分布。对在实际模块中 构造介电功能梯度提供理论指导。
图5为本申请实施例提供的一种应用场景下的，介电常数优化效果图，图6为本申请实施例提供的一种应用场景下的，场强优化效果图，也即，图5说明了引入介电功能梯度微区域后的介电常数分布情况，以及图6说明了引入介电功能梯度微区域后的场强优化效果。结果表明优化后的介电常数均呈现环状分布，参见图5，这易于后续使用相应方法进行介电梯度材料制备。同时，高介电常数分布位置均集中在三结合点处，也即集中在图5的Cu、Gel与AIN Ceramic三个区域结合点处，用于均化场强，均化后的场强为E=18.51kV/mm，参见图6。但在全局填充情况下，介电常数变化的区域面积占硅凝胶绝缘总面积的56.2%，而介电功能梯度微区域仅占硅凝胶绝缘总面积的4%，其对绝缘基体本征性能的影响最小且实际制造的可行性和经济性更高。
相对于现有技术，本申请实施例提出的局部场强优化方法具有如下优点：
1）以三结合点处场强最小作为目标函数，基于数学优化思想构建了介电功能梯度材料最优分布方式计算模型，也即局部场强优化模型，为其实际应用提供了理论指导。
2）通过分析所构建的优化模型中各参数的特性，确定了各参数的取值范围和初值。最重要的，确定了所填充粒子的最大介电常数e max的取值范围，实现了介电功能梯度结构材料参数的优化，对介电功能梯度结构的材料选择具有指导意义。
3）在材料参数优化的基础上，以场强利用率和三结合点处场强作为优化指标，针对介电功能梯度材料分布区域的横向宽度和纵向高度进行了进一步优化，在保持相同优化效果的基础上可以进一步节省填料填充量，优化工艺参数。
以上为本申请实施例中的方法实施例，基于同样的发明构思，本申请实施例还提供了一种高功率芯片绝缘封装局部场强优化设备，其结构如图7所示。
图7为本申请实施例提供的一种高功率芯片绝缘封装局部场强优化设备结构图。如图7所示，设备包括：处理器；以及，存储器，其上存储有可执行指令，当所述可执行指令被执行时，使得所述处理器执行如上述的一种高功率芯片绝缘封装局部场强优化方法。
在本申请实施例的一种或多种可能实现方式中，处理器用于，构建高功率芯片对应的二维仿真模型，并基于变密度优化算法在所述二维仿真模型的硅凝胶内构建介电功能梯度结构；通过所述介电功能梯度结构，构建所述高功率芯片对应的局部场强优化模型；提取所述局部场强优化模型中的可调整参数，并确定所述可调整参数的取值范围；对所述介电功能梯度结构对应的介电功能梯度区域进行调整。
本申请中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于设备实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
上述对本申请特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请的实施例可以有各种更改和变化。凡在本申请实施例的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (6)

1.一种高功率芯片绝缘封装局部场强优化方法，其特征在于，所述方法包括：
构建高功率芯片对应的二维仿真模型，并基于变密度优化算法在所述二维仿真模型的硅凝胶内构建介电功能梯度结构；
通过所述介电功能梯度结构，构建所述高功率芯片对应的局部场强优化模型；
提取所述局部场强优化模型中的可调整参数，并确定所述可调整参数的取值范围；
对所述介电功能梯度结构对应的介电功能梯度区域进行调整；
在基于变密度优化算法在所述二维仿真模型的硅凝胶内构建介电功能梯度结构之后，所述方法还包括：
对所述二维仿真模型进行网格划分；
根据网格划分结果，确定介电常数优化变量
Figure 895080DEST_PATH_IMAGE001
：
Figure 351469DEST_PATH_IMAGE002
其中，
Figure 841356DEST_PATH_IMAGE003
为场强优化区域，（x，y）为场强优化区域中的点，
Figure 436941DEST_PATH_IMAGE004
为密度变量，
Figure 252451DEST_PATH_IMAGE005
为指数项，
Figure 196136DEST_PATH_IMAGE006
分别为介电常数优化变量
Figure 755293DEST_PATH_IMAGE001
的最大值与最小值；
在确定介电常数优化变量
Figure 202455DEST_PATH_IMAGE001
之后，所述方法还包括：
确定电场均匀度子目标函数
Figure 923286DEST_PATH_IMAGE007
与电场强度子目标函数
Figure 354268DEST_PATH_IMAGE008
；其中，
Figure 451537DEST_PATH_IMAGE009
其中，E为场强优化区域的场强，
Figure 18784DEST_PATH_IMAGE010
为场强优化区域的平均场强，C为电场均匀度 系数，Cref为初始C值；E s为所述二维仿真模型三结合点处的当前场强，E mean,all为所述二维仿 真模型整体绝缘区域的平均场强；
在确定电场均匀度子目标函数
Figure 910517DEST_PATH_IMAGE007
与电场强度子目标函数
Figure 828794DEST_PATH_IMAGE008
之后，所述方法还包括：
确定惩罚函数
Figure 464175DEST_PATH_IMAGE011
：
Figure 885929DEST_PATH_IMAGE012
其中，msize为网格划分出的单元大小，S为场强优化区域Ω的面积；
确定第一权重系数w与第二权重系数q；其中，所述第一权重系数w用于确定电场均匀度子目标函数f1与电场强度子目标函数f2在总目标函数f中的所占比重；所述第二权重系数q用于表征所述局部场强优化模型抑制求解过程中数值不稳定的能力；
根据所述介电常数优化变量
Figure 214142DEST_PATH_IMAGE001
、所述电场均匀度子目标函数
Figure 88557DEST_PATH_IMAGE007
、所述电场强度子目标函 数
Figure 793208DEST_PATH_IMAGE008
、所述惩罚函数
Figure 69469DEST_PATH_IMAGE011
、所述第一权重系数w以及所述第二权重系数q，构建所述局部场强优 化模型；
对所述介电功能梯度结构对应的介电功能梯度区域进行调整，具体包括：
确定所述介电功能梯度区域对应的横向宽度分布范围与纵向高度分布范围；
生成所述横向宽度分布范围与场强利用率之间的第一对应关系，以及生成所述纵向高度分布范围与场强利用率之间的第二对应关系；其中，所述场强利用率用于指示所述二维仿真模型整体绝缘区域的平均场强与所述二维仿真模型整体绝缘区域的电场强度之间的比值；
基于所述第一对应关系与所述第二对应关系，调整所述介电功能梯度区域对应的横向宽度与纵向高度。
2.根据权利要求1所述的一种高功率芯片绝缘封装局部场强优化方法，其特征在于，所 述可调整参数至少包括以下任一项或者多项：指数项
Figure 568583DEST_PATH_IMAGE005
、第一权重系数w、第二权重系数q以 及介电常数优化变量最大值
Figure 216381DEST_PATH_IMAGE013
；
其中，在所述局部场强优化模型中，所述指数项α用于控制介电常数优化变量
Figure 193565DEST_PATH_IMAGE014
随密度 变量
Figure 589911DEST_PATH_IMAGE015
的变化速度。
3.根据权利要求2所述的一种高功率芯片绝缘封装局部场强优化方法，其特征在于，确定所述可调整参数的取值范围，具体包括：
确定所述指数项
Figure 994347DEST_PATH_IMAGE005
的取值范围为10-3~103，初始值为1；
确定所述第一权重系数w的取值范围为0~1，初始值为0.5；
确定所述第二权重系数q的取值范围为10-3~103，初始值为1；
通过预设介电常数计算模型，确定所述介电常数优化变量最大值
Figure 108934DEST_PATH_IMAGE013
的取值范围为 3.17~21.79。
4.根据权利要求1所述的一种高功率芯片绝缘封装局部场强优化方法，其特征在于，在对所述介电功能梯度结构对应的介电功能梯度区域进行调整之后，所述方法还包括：
确定场强评估点；
通过调整所述硅凝胶内的介电常数优化变量
Figure 624229DEST_PATH_IMAGE001
的分布范围，改变所述场强评估点处的场 强利用率，以使所述场强利用率达到最大；
其中，所述场强评估点为与所述二维仿真模型三结合点存在预设距离的点。
5.根据权利要求1所述的一种高功率芯片绝缘封装局部场强优化方法，其特征在于，在对所述介电功能梯度结构对应的介电功能梯度区域进行调整之后，所述方法还包括：
在可调整参数的取值范围内，确定所述可调整参数的取值；
将所述可调整参数的取值代入所述局部场强优化模型中，并迭代更新所述密度变量
Figure 875082DEST_PATH_IMAGE004
， 直至相邻两次总目标函数f的变化量低于预设变化量阈值；
通过预设探针获取所述介电常数优化变量
Figure 715999DEST_PATH_IMAGE001
的分布与所述二维仿真模型三结合点处的 场强分布。
6.一种高功率芯片绝缘封装局部场强优化设备，其特征在于，所述设备包括：
处理器；
以及，存储器，其上存储有可执行指令，当所述可执行指令被执行时，使得所述处理器执行如权利要求1-5任一项所述的一种高功率芯片绝缘封装局部场强优化方法。
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