芯片传热模型

Mosfet 芯片传热模型

客户需要知道Mosfet (metal–oxide–semiconductor field-effect transistor) ,即金属氧化物半导体场效应晶体管,在工作状态下的结温。Mosfet的实物在 Figure 1中给出。壳温 Tc 是指铜板底部相对应 Mos 芯片位置的温度;芯片温度,即结温Tj是需要确定 的温度。芯片的位置和Mosfet的几何结构在Figure 2中已经标出。

我们编制了三维的温度计算模型 MosfetTemp 来计算所需要的结温。之所以采用自编程序是因为

  1. Mosfet 几何可以简化为规则的矩形几何,完全由结构化网格离散
  2. 因为Mos和Dio芯片厚度极薄,最好简化为面功率和面热阻。在ANSYS Fluent里无法实现面热阻,即一个面单元上需要有两个温度。
  3. 自编软件容易实现经验换热系数的训练,而ANSYS Fluent不具备此功能。

但是,我们也做了Mosfet的Fluent模型,用来和自编程序互相标定。

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Figure 1  CREE  Mosfet实物外形图,外形尺寸为 0.0614 x 0.1064 x 0.0223 m3。其中壳(casing)是指下面的铜板,而结(junction)是指 Mos 芯片。

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Figure 2  Mosfet 计算模型示意图。其中壳(casing)是指下面的铜板,而结(junction)是指 Mos 芯片。

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Figure 3 Mosfet 芯片和焊接层的面元模型。由于芯片和焊接层的厚度极低,在三维空间模型中不宜再使用有限厚度尺寸,那么将芯片和焊接层简化为无厚度的面元。但是,我们仍需保留芯片温度/焊接层上表面温度 Tf2 和焊接层下表面温度/铜板上表面温度Tf1的区别,因为焊接层(Soldering) Tf2和Tf1之间仍有由hmos刻画的有限的热阻。如图显示了各种热流 (红色箭头标出)之间关系。由硅胶层 (T2)进入芯片(Mos chips)的热流 q2,out =h2(T2- Tf2), 由芯片进入焊接层(Soldering)的热流 qsolder,in =h2(T2- Tf2) +p, 以及由焊接层进入铜板的热流 qsolder,out = hmos(Tf2- Tf1)之间的关系。最后是由铜板出来进入环境温度的热流qcu,out = ha2(Tc- Ta2)。所谓Mos 热阻主要由 hmos提供,所以测试工况训练热阻主要就是训练hmos。

为了保证结果的可靠性,我们对比了 MosfetTemp和Fluent的计算结果。

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Figure 4  MosfetTemp 和 Fluent 在一个特定工况下的对比。我们看到,除了个别地方fluent结果有些局部缺陷,整体上结果还是高度一致的。