1、背景與意義
功率模塊在使用過程中，設計人員會比較關心功率模塊的溫升情況，仿真模塊的溫升一般採用三維軟體仿真，或者採用解析的辦法來做，因此功率模塊的熱阻參數是非常重要的，穩態熱阻和瞬態熱阻曲線可以通過儀器測試或者仿真得到。實際上，通過本文的仿真對比結果可以看出，仿真是可以代替測試的，同時測試的儀器一般成本昂貴，不是較大的半導體公司，基本上無法承受。因此，採用仿真的辦法研究熱阻及其參數，是具有較大的工程意義。
熱阻測試原理
熱阻測試一般分為兩個過程先採K線，簡單來說，K線是表示結溫與電壓變化的一組對應關係，後續儀器可以通過測試電壓變化，來推算結溫。然後測試殼溫，做法是給晶片通較大的電流，使其產生損耗，然後通過熱電偶測試晶片下的溫度，具體方法如下圖1。這樣得到了結溫Tj和殼溫Tc，以及所加的功耗P，這樣就可以計算熱阻 。
圖1 熱阻測試原理
瞬態熱阻原始數據獲取辦法：
一是可以通過儀器比如T3ster，見圖2或者Phase11，見圖3測試功率模塊的瞬態熱阻（IGBT和FRD的），熱阻測試完成後，可以輸出瞬態熱阻曲線如圖4和對應的數據time和Zth。
圖 2 T3Ster熱阻測試系統
圖 3 Phase 11 熱阻測試系統
二是可以通過仿真的辦法進行瞬態熱仿真，得到結溫Tj和殼溫Tc的結果後，根據熱阻的定義，計算出瞬態熱阻。
圖4 瞬態熱阻曲線
2、熱阻仿真
以傳統的34mm模塊為例，採用ANSYS Mechanical軟體，根據一維散熱的原理，建立了仿真模型，模型由晶片，DBC，錫膏，銅基板組成，忽略了鍵合線，矽膠，以及外殼，功率端子和驅動端子，簡化了圓角與DBC上的孔。建立模型如下。
圖5 熱阻仿真模型
圖6 模型的橫截面
表1 PIM材料參數
2.2載荷與邊界條件定義
給晶片施加損耗P，要求晶片的結溫穩態時達到140℃左右，銅基板底部設置對流換熱，使得熱量從銅基板底部散出來，忽略可能存在的對流換熱以及輻射散熱。晶片最高溫度點為Tj,銅基板上的晶片正下方的點選為Tc。進行瞬態熱仿真，獲取一組Tj與Tc，採用公式（1）,進行瞬態熱阻的計算。
熱阻仿真需要注意的幾點：一是真正有源區面積的確定：矽片上製作有源器件的區域稱為有源區，也就是有雜質注入的地方，包括 P 摻雜區和 n 摻雜區等，器件工作時載流子流過該區域產生焦耳熱量；而其他部分是作為切割矽片保留的劃片區或者隔離區，沒有或者很少產生熱量。因此，有源區是真正發熱的部分。對於高壓的器件，建模過程中需要關注有源區的影響，因為不發熱的面積佔比較大，排除了不發熱的面積，仿真結果會與實際更接近。二是結溫需要達到140℃左右，與實際測試熱阻的結溫接近，因為SI在高溫下導熱係數會降低。詳情見參數表1。
2.3熱阻計算
根據瞬態熱阻計算理論，瞬態熱阻先計算出脈衝佔空比δ=0的時候的瞬態熱阻，其他佔空比的瞬態熱阻根據下面的公式計算出。圖6是仿真與實際測試結果對比，精度還是很高的。
(2)Z_(θ(tp))是佔空比δ=0時候的瞬態熱阻。
圖6 瞬態熱阻對比（實線為仿真值，虛線為測試值，顏色一致者為一組）
3、參數提取
瞬態熱阻曲線可以用熱網絡模型來表示，比如4階的Foster模型，見圖7. Foster模型可以用如下方程(3)表示。對於4階的Foster模型，可以瞬態熱阻可以用如下方程(3)表示，因此這裡產生了8個未知數。R1、R2、R3、R4和C1、C2、C3、C4。通過算法，可以提取這8個未知數。(3)
圖7 4階的Foster模型
可以採用幾種方法確定這8個參數，一是最優化求解方法，二是最解8元一次方程組，三是曲線擬合，這些在MATLAB中很方便實現。其中最優化方法如下，通過求解下面函數的最優解：上述最優解求解方法有蟻群算法，遺傳算法等方法，本計算方法採用蟻群算法進行，算法在最終收斂時，R1、R2、R3、R4和C1、C2、C3、C4也收斂到一個合理的值，也就是提取出了瞬態熱阻的參數R_i與C_i。利用這種成熟的優化算法，具有較強的適應性和魯棒性。圖8對比是通過本方法進行參數提取後，根據如下方程計算出的熱阻和實際測試熱阻的對比，提取的瞬態熱阻與測試的熱阻能夠完全重合，滿足工程和應用的要求。
圖8 模型的仿真結果
4、總結
本文通過仿真的辦法準確模塊的熱阻及其參數，具有高精度、高效率、低成本等特點，本文提出的方法還可以適應LED、雷射器、射頻、IC等行業的封裝熱阻問題。
[本文轉自熱設計網. 投稿作者：Paul，高級研發工程師.]
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