CN116796537A - 一种双面散热型SiC功率模块的热分布计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于功率半导体技术领域,具体为一种双面散热型SiC功率模块的热分布计算方法。本发明是针对FOPLP的快速数值求解方法,数值算法是基于热传导傅里叶公式的,可以计算热量在封装传导过程中的横向传递;FOPLP中芯片位于结构中央,散热路径分别为上层重新排布层和上层散热器以及下层的基板;在数值求解过程中将模型简化为长方体块结构,作为双面散热的基础模型;模块中芯片作为热源,主要向上下两个方向传热;本发明通过推算功率模块内的固体传热和对流传热规律,构建FOPLP结构的数值温度分布;数值求解由稳态热传导拉普拉斯方程出发,通过分离变量法求解,结合边界条件,确定FOPLP结构双面散热的解析解,实现对该模块温度分布的快速评估。
Description
技术邻域
本发明属于功率半导体技术领域,具体涉及双面散热型SiC功率模块的热分布计算方法。
背景技术
功率半导体模块作为电力电子装置中重要的电能转化环节,其芯片工作时产生的损耗是主要的热量产生者。温度对功率器件的影响主要在两个方面,一个是器件的电学性能受结温的影响,另一个不同结构之间的热膨胀系数不匹配引起的热应力问题。这都是器件潜在的由热引起的失效问题。为准确的预测功率模块的热特性,一般采用有限元分析方法进行评估,但是该方法计算量大且耗时长,
目前,功率模块的热建模通常有两种方法。一种方法采用热电网络模型,将热的传导类比于电流的传导,用电路模型进行求解,即传统的foster和cauer模型。这种方法使用热阻和热容构成RC热等效电路建立热阻抗方程将功率模块等效为一维传热路径,具有表达式简洁、计算速度快的显著特点[1]。但该方法无法计算芯片横向热传输,低估了结温。为实现不同工况下热扩散耦合的准确描述,文献[2]提出了一种计及IGBT与二极管热耦合效应的3D四阶Foster型热网络,文献[3.4]提出了一种计及不同桥臂间芯片热耦合效应的3D三阶Cauer型热网络,文献[5]建立了Foster与Cauer混合型四阶热网络。但网络中的RC参数是通过有限元动态仿真得到的,求解时间长。同时精确模型的RC参数数量庞大,识别复杂度高,计算效率不高。另一种方法是数值分析法,是通过直接求解热传导方程得到温度分布的求解方法,这种方法在求解过程中就考虑了热量的横向传导过程。文献[6]提出了偏心热源在矩形基板上的热扩散性能的通用解析解,同时还提出了矩形双层结构的稳态温度分布求解。文献[7]将数值模型延伸到多层结构,应用场景的灵活性增加了傅里叶系数求解的难度。为了解决这个问题,文献[8]提出了一个稳态热力模型,其最上层包含任意数量的矩形热源的层数。同时讨论了模型简化过程与实际热表现的差异。多芯片热耦合在多种布局下的分布情况在[9]中得到了充分分析和讨论。但是以上研究都是针对传统单面冷却功率模块的数值建模,目前几乎没有学者研究双面散热模块的数值散热求解。为了更快速准确的评估双面散热的温度特性,建立一套双面散热数值散热求解模型是十分必要的。
使用热阻和热容构成RC热等效电路建立热阻抗方程将功率模块等效为一维传热路径,具有表达式简洁、计算速度快的显著特点,但是无法计算芯片横向热传输,低估了结温。
为准确的预测功率模块的热特性,一般采用有限元分析方法进行评估,但是该方法计算量大且耗时长,需要耗费大量计算资源,网格划分多,求解周期长,不适用于设计前期的快速评估。目前对于数值热传导求解大多都是针对传统单面冷却功率模块的数值建模,对于双面散热模块的数值散热求解的研究较少。本发明提供了一种针对FOPLP双面散热功率模块的快速数值求解方法,计算速度快,准确度高,并可适用于其他双面散热模块的温度评估。
发明内容
本发明的目的在于提供一种计算速度快、准确度高的双面散热型SiC功率模块的热分布计算方法。
本发明提供的双面散热型SiC功率模块的热分布计算方法,是一种针对双面散热板级扇出型(FOPLP)封装结构的双面散热功率模块的快速数值求解方法,其中采用的数值算法是基于热传导傅里叶公式的,可以计算热量在封装传导过程中的横向传递,对于热扩散现象有很好的体现。
所述双面散热板级扇出型(FOPLP)封装结构,参见图1所示,是由单一芯片及其互联材料构成的大功率模块;所述芯片位于结构中央,散热路径分别为上层重新排布层(RDL)和上层散热器以及下层的焊料和底部基板。在数值求解过程中需要将模型简化为横截面积一样的规则长方体块堆叠结构,即双面散热的基础模型,如图2。所述散热器、塑封层、焊料、以及基板将按照实际结构的厚度均纳入该模型。RDL层中既有过孔中电气连接的铜材料又有实现绝缘和机械支撑的塑封材料,因此该部分的材料参数需要重新认定。
所述双面散热的基础模型,如图2所示。功率模块的整体结构为长方体结构;其内部的热源为长方形区域。在功率模块中芯片作为热源,主要向上下两个方向传热,所以模型将芯片简化为长宽为a*b的薄膜结构,面积记为As。纵向传热区域为长宽为Lx*Ly的区域,面积为Ac。芯片提供的功率损耗为Q,z轴原点位于芯片所在平面。芯片中心所在的坐标为(xc,yc),上下传导路径长度分别为tp,tn。空气对流换热系数为h。
整个结构的温度分布函数设为T(x,y,z),环境温度为Tair,稳态热传导满足拉普拉斯方程,具体为:
其通解的一般形式为:
θ(x,y,z)=X(x)*Y(y)*Z(z),θ(x,y,z)=T(x,y,z)-Tair。 (2)
θ(x,y,z)为热源的热量导致的温升,X(x),Y(y),Z(z)分别为分离参数法求解拉普拉斯方程时的坐标函数。
对于整个结构而言,四壁绝热,对外不产生热交换,故边界条件为:
由此可得到拉普拉斯方程的通解为:
其中,λ=mπ/Lx,δ=nπ/Ly,Bi,Ai为待求系数,i=0,1,2,3;
上下界面与空气对流传热,边界条件为:
由于z轴正负的传热方向相反,需要分离讨论,由z=tp和z=-tn界面的对流传热边界可分别解得上下传热的傅里叶系数:
Bi=φ(ξ)Ai, (5)
对于正方向的热传导,傅里叶系数为:
对于负方向的热传导,傅里叶系数为:
其中,ξ可分别替代为λ,δ,和β。
芯片的发热是向上下两个方向进行的,但两个方向传导的功率不同。因此芯片作为热源的功率分配是需要考虑在内的,这将在公式推导完成之后详细分析。设芯片产生的总功率为Q=Q1+Q2,Q1、Q2分别为芯片上表面功率、下表面功率。
先讨论Q1向正方向输入的情况。此时芯片层的边界由两部分组成,分别是:
在As所包含的区域:
在As以外的区域,传导的热的总和是负方向界面传出的热的总和,可表示为:
对于向上传导的功率Q1而言,有:
对于向下传导的功率Q2而言,有:
此时,对于热源内嵌双面散热的长方体模块的理论数值模型推导和求解基本完成。但芯片上下热传导的功率分配问题还需要进一步讨论。用芯片的表面的平均温度表示结温,记为Tj,结构上下表面的平均温度为Tp和Tn。用热电网络可以清晰地描述出热传导的温度传递情况,如图3所示。
由于环境温度是固定的,向上和向下的功率传输可认为是并联分流。具体来说,Q1和Q2需要通过长方体传导热阻和与空气的对流热阻进行分配。因此需要先对热阻进行计算。
热阻是与材料结构尺寸决定的物理量,与功率大小无关。因此讨论正负两方向的热阻时,可以分离分别计算。但热阻的表现形式为温度的上升的程度,因此计算中常用温差反推热阻大小。其中用芯片表面的平均温度与环境温度的差值来代表结温与环境的温差。
根据拉普拉斯方程对于芯片稳态热的求解过程,在不考虑芯片层热源以外区域的热传导时,相当于单面散热的通解,此时正方向的稳态热求解为:
此时,芯片结温与环境温度的差值可表示为:
由此可得正方向的热阻为:
对于负方向的热阻,输入功率方向为负方向,且φ需要替换成负方向系数。
功率的分配在此可以由热阻的并联关系进行拆分:
分别计算两个方向的功率传输后,由于温度的线性叠加性,双面散热基础结构的温度分布可表示为:
T(x,y,z)=θQ1(x,y,z)+θQ2(x,y,z)+Tair, (27)
本发明通过推算功率模块内的固体传热和对流传热规律,构建了解决FOPLP结构的数值温度分布模型。数值求解由稳态热传导拉普拉斯方程出发,通过分离变量法进行求解,结合实际应用中的边界条件,确定FOPLP结构双面散热的解析解。实现了对该模块温度分布的快速评估。
附图说明
图1为扇出型功率模块FOPLP结构示意图。
图2为双面散热功率模块基础模型。
图3为双面散热热传导上下功率分配示意图。
图4为芯片温度分布。其中,(a)芯片层的温度分布;(b)为上表面温度分布;(c)为下表面温度分布。
具体实施方式
FOPLP封装将相当于一个六层结构,芯片上面有4层,下面有2层。将封装参数代入上面建立的数值模型,即获得结果。
假设芯片的总输出功率为50w,得到芯片层的温度分布如下图4所示,最大结温为90.88℃。上表面的温度分布如图4(b)所示,最高温度为51.54℃。下表面的温度分布如图4(c)所示,最高温度为89.67℃。
参考文献:
[1]Wang Z.,Qiao Wei.A physics-based improved Cauer-type thermalequivalent circuit for IGBT modules[J].IEEE Transactions on PowerElectronics,2016,31(10):6781-6786.
[2]Iachello M,De Luca V,Petrone G,et al.Lumped parameter modeling forthermal characterization of high-power modules[J].IEEE Transactions onComponents,Packaging and Manufacturing Technology,2014,4(10):1613-1623.
[3]Li Jianfeng,Castellazzi A,Eleffendi M A,et al.A physical RCnetwork model for electrothermal analysis of a multichip SiC power module[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2018,33(3):2494-2508.
[4]马铭遥,郭伟生,严雪松,等.用于电动汽车功率模块热分析的紧凑型热网络模型[J].中国电机工程学报,2020,40(18):5796-5804.
[5]Bahman A S,Ma Ke,Ghimire P,et al.A 3-D-lumped thermal networkmodel for long-term load profiles analysis in high-power IGBT modules[J].IEEEJournal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics,2016,4(3):1050-1063.
[6]Y.S.Muzychka,J.R.Culham,and M.M.Yovanovich,“Thermal spreadingresistance of eccentric heat sources on rectangular flux channels,”ASME.J.Electron.Packag.,vol.125,no.2,pp.178–185,Jun.2003.
[7]Geer,J.,Desai,A.,and Sammakia,B.(April 7,2007)."Heat Conduction inMultilayered Rectangular Domains."ASME.J.Electron.Packag.December 2007;129(4):440–451.
[8]K.R.Choudhury and D.J.Rogers,"Steady-State Thermal Modeling of aPower Module:An N-Layer Fourier Approach,"in IEEE Transactions on PowerElectronics,vol.34,no.2,pp.1500-1508,Feb.2019.
[9]H.-Y.Tang,H.-Y.Ye,X.-P.Chen,C.Qian,X.-J.Fan and G.-Q.Zhang,"Numerical Thermal Analysis and Optimization of Multi-Chip LED Module UsingResponse Surface Methodology and Genetic Algorithm,"in IEEE Access,vol.5,pp.16459-16468,2017。
Claims (2)
1.一种双面散热型SiC功率模块的热分布计算方法,其特征在于,是针对双面散热板级扇出型FOPLP封装结构的双面散热功率模块的快速数值求解方法,其中采用的数值算法是基于热传导傅里叶公式的,可以计算热量在封装传导过程中的横向传递;
所述双面散热板级扇出型封装结构,是由单一芯片及其互联材料构成的大功率模块;所述芯片位于结构中央,散热路径分别为上层重新排布层RDL和上层散热器以及下层的焊料和底部基板;在数值求解过程中将模型简化为横截面积一样的规则长方体块堆叠结构,构成双面散热的基础模型;模块中芯片作为热源,主要向上下两个方向传热,模型将芯片简化为长宽为a*b的薄膜结构,面积记为As;纵向传热区域为长宽为Lx*Ly的区域,面积为Ac;芯片提供的功率损耗为Q,z轴原点位于芯片所在平面;芯片中心所在的坐标为(xc,yc),上下传导路径长度分别为tp,tn;空气对流换热系数为h;
整个结构的温度分布函数设为T(x,y,z),环境温度为Tair,稳态热传导满足拉普拉斯方程,具体为:
其通解的形式为:
θ(x,y,z)=X(x)*Y(y)*Z(z),θ(x,y,z)=T(x,y,z)-Tair (2)
θ(x,y,z)为热源的热量导致的温升,X(x),Y(y),Z(z)分别为分离参数法求解拉普拉斯方程时的坐标函数;
对于整个结构,四壁绝热,对外不产生热交换,故边界条件为:
由此得到拉普拉斯方程的通解为:
其中,λ=mπ/Lx,δ=nπ/Ly,Bi,Ai为系数,i=0,1,2,3;
上下界面与空气对流传热,边界条件为:
由于z轴正负的传热方向相反,需要分离讨论,由z=tp和z=-tn界面的对流传热边界可分别解得上下传热的傅里叶系数:
Bi=φ(ξ)Ai, (5)
对于正方向的热传导,傅里叶系数为:
对于负方向的热传导,傅里叶系数为:
其中,ξ可分别替代为λ,δ,和β;
设芯片产生的总功率为Q=Q1+Q2,Q1、Q2分别为芯片上表面功率、下表面功率;
对于Q1向正方向输入的情况,此时芯片层的边界由两部分组成,分别是:
在As所包含的区域:
在As以外的区域,传导的热的总和是负方向界面传出的热的总和,表示为:
对于Q1向上传导的情况,有:
对于Q2向下传导的情况,有:
2.根据权利要求1所述的双面散热型SiC功率模块的热分布计算方法,其特征在于,关于芯片上下热传导的功率分配:用芯片的表面的平均温度表示结温,记为Tj,结构上下表面的平均温度为Tp和Tn;用热电网络描述出热传导的温度传递情况;由于环境温度是固定的,向上和向下的功率传输可认为是并联分流;具体来说,Q1和Q2需要通过长方体传导热阻和与空气的对流热阻进行分配;为此,先进行热阻计算;
计算中,用温差反推热阻大小,其中用芯片表面的平均温度与环境温度的差值来代表结温与环境的温差;
根据拉普拉斯方程对于芯片稳态热的求解过程,在不考虑芯片层热源以外区域的热传导时,相当于单面散热的通解,此时正方向的稳态热求解为:
此时,芯片结温与环境温度的差值表示为:
由此可得正方向的热阻为:
对于负方向的热阻,输入功率方向为负方向,且φ需要替换成负方向系数;
功率的分配在此由热阻的并联关系进行拆分:
分别计算两个方向的功率传输后,由于温度的线性叠加性,双面散热基础结构的温度分布表示为:
FOPLP封装相当于一个六层结构,芯片上面有4层,下面有2层;将封装参数代入上面建立的数值模型,即获得结果。
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