本發(fā)明涉及半導(dǎo)體領(lǐng)域，特別是涉及一種預(yù)測功率器件結(jié)溫的方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

功率半導(dǎo)體器件在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣泛，全世界至少60％以上的電能由它來控制的，未來在全球能源互聯(lián)網(wǎng)的趨勢下，隨著大規(guī)模新能源發(fā)電并網(wǎng)和電動(dòng)汽車等移動(dòng)不可預(yù)測負(fù)荷接入電網(wǎng)，這一比例將大大上升。因此，對于功率半導(dǎo)體器件的研究工作也成為近些年的熱點(diǎn)，尤其是高電壓大功率半導(dǎo)體器件。

壓接型功率半導(dǎo)體器件，如壓接型絕緣柵雙極型晶體管(insulatedgatebipolartransistor，igbt)，具有功率密度大、雙面散熱、易于串聯(lián)以及可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)己逐步應(yīng)用于電力系統(tǒng)的高壓直流輸電(hvdc)、電力機(jī)車等高電壓、大功率應(yīng)用場合。如圖1所示，壓接型igbt包括多個(gè)子模組10，其中子模組10依次包括：集電極101、集電極側(cè)鉬片102、硅芯片103、發(fā)射極側(cè)鉬片104、銀片105、凸臺106、發(fā)射極107，圖中f表示夾具夾緊力，其方向如圖中剪頭所示。直流斷路器作為柔性直流輸電系統(tǒng)的核心裝備，其性能制約著柔性直流輸電系統(tǒng)的發(fā)展，壓接型igbt器件由于易于串聯(lián)、可靠性高成為直流斷路器用開關(guān)器件的首先。而壓接型igbt器件的結(jié)溫是其最重要的參數(shù)之一，結(jié)溫的準(zhǔn)確測量和預(yù)測可以為器件的優(yōu)化設(shè)計(jì)、可靠性以及壽命預(yù)測提供重要的依據(jù)和指導(dǎo)。但是，由于半導(dǎo)體器件內(nèi)部的芯片層結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸較小，使其結(jié)溫的準(zhǔn)確測量和預(yù)測非常困難。igbt芯片正常工作時(shí)會在pn結(jié)處產(chǎn)生大量的熱量，造成pn結(jié)的溫度升高，其中igbt芯片的結(jié)溫就是指pn結(jié)上的最高溫度。目前對igbt等功率器件進(jìn)行結(jié)溫預(yù)測的方法主要分為兩大類，一類是實(shí)驗(yàn)測量，另一類是通過有限元方法或者基于物理方法建立等效的熱模型進(jìn)行模擬預(yù)測。

實(shí)驗(yàn)測量方法中又可以分為三大類：光學(xué)測量法、物理接觸法和電學(xué)間接測量法。光學(xué)測量法是利用了隨溫度變化的光學(xué)特性，通過發(fā)射或者反射輻射等來進(jìn)行工作，優(yōu)點(diǎn)是非接觸式，如紅外熱成像儀，還可以看到芯片表面的溫度分布，但表征的是芯片表面的溫度，并不是igbt芯片內(nèi)部真正pn結(jié)的結(jié)溫。物理接觸法則是通過熱電偶或者溫度敏感參數(shù)的元件與被測表面接觸實(shí)現(xiàn)溫度的測量，這種方法雖然簡單，但也只是測量被測物體表面的某點(diǎn)或某面的溫度，并不能表征芯片層內(nèi)部的pn結(jié)溫度。電學(xué)間接測量法則是通過測量芯片內(nèi)部與溫度變化相關(guān)的電學(xué)參數(shù)的變化來實(shí)現(xiàn)結(jié)溫的測量，這種測量方法不受封裝形式等影響，應(yīng)用最廣泛，但是測量得到的結(jié)溫也是整個(gè)芯片最大結(jié)溫的平均值，不僅無法表征多芯片間結(jié)溫的差異，而且不能表征芯片層不同pn結(jié)的溫度。

仿真的方法主要是通過建立等效模型進(jìn)行分析，目前對于功率半導(dǎo)體器件中芯片的仿真模型主要有三種。第一種是最簡單的，將半導(dǎo)體芯片作為一個(gè)整體考慮即作為本征層處理，這類芯片模型主要出現(xiàn)在半導(dǎo)體器件的有限元模型中，采用多物理場耦合的方法研究器件的特性，這種芯片模型直接忽視了芯片內(nèi)部復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，不能對芯片內(nèi)部特性進(jìn)行準(zhǔn)確分析，同時(shí)不能體現(xiàn)芯片內(nèi)部溫度分布的差異性。第二種是芯片的單元胞模型，如圖2所示，包括發(fā)射極(e)201、集電極(c)202和門極(g)203，n型基區(qū)204。這類芯片模型出現(xiàn)在半導(dǎo)體仿真軟件tcad中，基于工藝仿真模擬芯片的制造過程，能充分考慮芯片內(nèi)部元胞的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，但一個(gè)芯片內(nèi)部有上萬個(gè)元胞，元胞之間采用并聯(lián)的方式連接，一個(gè)元胞的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)模型不能直接等效為芯片層的結(jié)構(gòu)模型，同時(shí)很難與外面仿真相結(jié)合，應(yīng)用難度大。第三種是芯片的物理分層模型，這類芯片模型主要是應(yīng)用于芯片的有限元模型中，將芯片按照有源區(qū)、終端區(qū)的物理結(jié)構(gòu)分為耗盡層和等效層，這種芯片模型能夠一定程度上研究芯片內(nèi)部的電熱特性分布，但根據(jù)物理結(jié)構(gòu)分層的缺點(diǎn)是每一層的物理尺寸和邊界條件都是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來設(shè)置的，沒有對應(yīng)的理論作為依據(jù)支撐，結(jié)溫預(yù)測的誤差較大，同時(shí)模型也相對比較復(fù)雜，不利于實(shí)際應(yīng)用和推廣。

綜上可見，現(xiàn)有的基于實(shí)驗(yàn)測量的方法和通過建立等效的熱模型進(jìn)行模擬預(yù)測結(jié)溫的方法，都不能充分表征芯片層內(nèi)部的pn結(jié)溫度，結(jié)溫預(yù)測的誤差較大。因此，如何精確預(yù)測功率器件的結(jié)溫，成為本領(lǐng)域技術(shù)人員亟需解決的技術(shù)問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種預(yù)測功率器件結(jié)溫的方法，能夠精確預(yù)測功率器件的結(jié)溫。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下方案：

一種預(yù)測功率器件結(jié)溫的方法，所述方法包括：

獲取被測器件的積分結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線；

根據(jù)所述被測器件的封裝形式、封裝材料、所述積分結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線的起點(diǎn)確定所述被測器件的第一芯片層；

根據(jù)所述積分結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線中對應(yīng)所述第一芯片層的曲線段的斜率對所述第一芯片層進(jìn)行分層，得到各熱等效層及對應(yīng)的熱阻值；

根據(jù)各所述熱等效層及對應(yīng)的熱阻值建立所述被測器件的所述芯片層的熱等效分層模型，以預(yù)測所述被測器件的結(jié)溫。

可選的，所述根據(jù)所述被測器件的封裝形式、封裝材料、所述積分結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線的起點(diǎn)確定所述被測器件的芯片層之前還包括：

獲取被測器件的微分結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線；

根據(jù)所述被測器件的封裝形式、封裝材料和所述微分結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線的拐點(diǎn)確定所述被測器件的第二芯片層；

根據(jù)所述第二芯片層對所述第一芯片層進(jìn)行校正得到校正的第一芯片層。

可選的，與所述被測器件的微分結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線對應(yīng)的微分結(jié)構(gòu)函數(shù)為：

ρ(r)＝c×ρ×k×a²，

其中，ρ(r)表示器件的微分結(jié)構(gòu)函數(shù)，a表示材料的橫截面積，k表示材料的熱導(dǎo)率，c表示材料的比熱容，ρ表示材料的密度。

可選的，與所述被測器件的積分結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線對應(yīng)的積分結(jié)構(gòu)函數(shù)為：

c(r)＝c×ρ×k×a²×r，

其中，c(r)表示器件的積分結(jié)構(gòu)函數(shù)，r表示器件的熱阻，a表示材料的橫截面積，k表示材料的熱導(dǎo)率，c表示材料的比熱容，ρ表示材料的密度。

本發(fā)明的目的是提供一種預(yù)測功率器件結(jié)溫的系統(tǒng)，能夠精確預(yù)測功率器件的結(jié)溫。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下方案：

一種預(yù)測功率器件結(jié)溫的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：

積分曲線獲取模塊，用于獲取被測器件的積分結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線；

第一芯片層確定模塊，與所述積分曲線獲取模塊連接，用于根據(jù)所述被測器件的封裝形式、封裝材料、所述積分結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線的起點(diǎn)確定所述被測器件的第一芯片層；

分層模塊，分別與所述積分曲線獲取模塊和所述第一芯片層確定模塊連接，用于根據(jù)所述積分結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線中對應(yīng)所述第一芯片層的曲線段的斜率對所述第一芯片層進(jìn)行分層，得到各熱等效層及對應(yīng)的熱阻值；

分層模型確定模塊，與所述分層模塊連接，用于根據(jù)各所述熱等效層及對應(yīng)的熱阻值建立所述被測器件的所述芯片層的熱等效分層模型，以預(yù)測所述被測器件的結(jié)溫

可選的，所述系統(tǒng)還包括：

微分曲線獲取模塊，用于獲取被測器件的微分結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線；

第二芯片層確定模塊，與所述微分曲線獲取模塊連接，用于根據(jù)所述被測器件的封裝形式、封裝材料和所述微分結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線的拐點(diǎn)確定所述被測器件的第二芯片層；

校正模塊，與所述第二芯片層確定模塊和所述第一芯片層確定模塊連接，用于根據(jù)所述第二芯片層對所述第一芯片層進(jìn)行校正得到校正的第一芯片層。

可選的，與所述被測器件的微分結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線對應(yīng)的微分結(jié)構(gòu)函數(shù)為：

ρ(r)＝c×ρ×k×a²，

其中，ρ(r)表示器件的微分結(jié)構(gòu)函數(shù)，a表示材料的橫截面積，k表示材料的熱導(dǎo)率，c表示材料的比熱容，ρ表示材料的密度。

可選的，與所述被測器件的積分結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線對應(yīng)的積分結(jié)構(gòu)函數(shù)為：

c(r)＝c×ρ×k×a²×r，

其中，c(r)表示器件的積分結(jié)構(gòu)函數(shù)，r表示器件的熱阻，a表示材料的橫截面積，k表示材料的熱導(dǎo)率，c表示材料的比熱容，ρ表示材料的密度。

根據(jù)本發(fā)明提供的具體實(shí)施例，本發(fā)明公開了以下技術(shù)效果：

本發(fā)明根據(jù)被測器件的封裝形式、封裝材料及積分結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線的起點(diǎn)確定其芯片層，然后根據(jù)積分結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線中對應(yīng)芯片層的曲線段的斜率對芯片層進(jìn)行細(xì)化分層，得到各熱等效層及對應(yīng)的熱阻值?？梢?，本發(fā)明對芯片層建立熱等效分層模型時(shí)，采用的是熱等效分層結(jié)構(gòu)，而不是物理性的分層。因此，本發(fā)明提供的熱等效分層模型能夠準(zhǔn)確表征功率半導(dǎo)體器件中芯片層的熱分布特性，從而能夠?qū)崿F(xiàn)精確預(yù)測功率器件結(jié)溫的目的。

本發(fā)明從熱阻分層角度對芯片層進(jìn)行了熱等效建模，其建立的熱等效分層模型適用于一切功率半導(dǎo)體芯片，如功率二極管、晶體管、晶閘管、金氧半場效晶體管(metal-oxide-semiconductorfield-effecttransistor,mosfet)、igbt等，模型的適應(yīng)性強(qiáng)，便于實(shí)施和推廣。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其它的附圖。

圖1為壓接型igbt器件結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為igbt芯片元胞結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例1的流程圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)框圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例3內(nèi)部接觸熱阻測量夾具示意圖；

圖6為本發(fā)明實(shí)施例3瞬態(tài)熱阻抗曲線測量電路圖；

圖7為本發(fā)明實(shí)施例3瞬態(tài)熱阻抗曲線測量時(shí)序圖；

圖8為本發(fā)明實(shí)施例3中cauer熱網(wǎng)絡(luò)模型變換過程示意圖；

圖9為本發(fā)明實(shí)施例3積分結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線圖；

圖10為本發(fā)明實(shí)施例3積分結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線和微分結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線對照圖；

圖11為本發(fā)明實(shí)施例3芯片層pn結(jié)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖12為本發(fā)明實(shí)施例3芯片層pn結(jié)的熱等效分層模型。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

本發(fā)明的目的是提供一種預(yù)測功率器件結(jié)溫的方法及系統(tǒng)，能夠精確預(yù)測功率器件的結(jié)溫。

為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。

實(shí)施例1：

如圖3所示，一種預(yù)測功率器件結(jié)溫的方法包括：

步驟11：獲取被測器件的積分結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線；

步驟12：根據(jù)所述被測器件的封裝形式、封裝材料、所述積分結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線的起點(diǎn)確定所述被測器件的第一芯片層；

步驟13：根據(jù)所述積分結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線中對應(yīng)所述第一芯片層的曲線段的斜率對所述第一芯片層進(jìn)行分層，得到各熱等效層及對應(yīng)的熱阻值；

步驟14：根據(jù)各所述熱等效層及對應(yīng)的熱阻值建立所述被測器件的所述芯片層的熱等效分層模型，以預(yù)測所述被測器件的結(jié)溫。

優(yōu)選地，執(zhí)行步驟13之前還包括：

步驟15：獲取被測器件的微分結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線；

步驟16：根據(jù)所述被測器件的封裝形式、封裝材料和所述微分結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線的拐點(diǎn)確定所述被測器件的第二芯片層；

步驟17：根據(jù)所述第二芯片層對所述第一芯片層進(jìn)行校正得到校正的第一芯片層。

本實(shí)施例中，與所述被測器件的微分結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線對應(yīng)的微分結(jié)構(gòu)函數(shù)為：

ρ(r)＝c×ρ×k×a²，

其中，ρ(r)表示器件的微分結(jié)構(gòu)函數(shù)，a表示材料的橫截面積，k表示材料的熱導(dǎo)率，c表示材料的比熱容，ρ表示材料的密度；

與所述被測器件的積分結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線對應(yīng)的積分結(jié)構(gòu)函數(shù)為：

c(r)＝c×ρ×k×a²×r，

其中，c(r)表示器件的積分結(jié)構(gòu)函數(shù)，r表示器件的熱阻，a表示材料的橫截面積，k表示材料的熱導(dǎo)率，c表示材料的比熱容，ρ表示材料的密度。

本發(fā)明提供的預(yù)測結(jié)溫的方法，通過對半導(dǎo)體器件的芯片層進(jìn)行熱網(wǎng)絡(luò)模型的等效，不僅可以與外部電路和具體應(yīng)用工況結(jié)合進(jìn)行芯片內(nèi)部的結(jié)溫預(yù)測，還可以表征芯片內(nèi)部溫度的軸向分布情況。

實(shí)施例2：

如圖4所示，一種預(yù)測功率器件結(jié)溫的系統(tǒng)包括：

積分曲線獲取模塊21，用于獲取被測器件的積分結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線；

第一芯片層確定模塊22，與所述積分曲線獲取模塊連接，用于根據(jù)所述被測器件的封裝形式、封裝材料、所述積分結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線的起點(diǎn)確定所述被測器件的第一芯片層；

分層模塊23，分別與所述積分曲線獲取模塊和所述第一芯片層確定模塊連接，用于根據(jù)所述積分結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線中對應(yīng)所述第一芯片層的曲線段的斜率對所述第一芯片層進(jìn)行分層，得到各熱等效層及對應(yīng)的熱阻值；

分層模型確定模塊24，與所述分層模塊連接，用于根據(jù)各所述熱等效層及對應(yīng)的熱阻值建立所述被測器件的所述芯片層的熱等效分層模型，以預(yù)測所述被測器件的結(jié)溫

優(yōu)選地，所述系統(tǒng)還包括：

微分曲線獲取模塊25，用于獲取被測器件的微分結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線；

第二芯片層確定模塊26，與所述微分曲線獲取模塊25連接，用于根據(jù)所述被測器件的封裝形式、封裝材料和所述微分結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線的拐點(diǎn)確定所述被測器件的第二芯片層；

校正模塊27，分別與所述第二芯片層確定模塊26和所述第一芯片層確定模塊22連接，用于根據(jù)所述第二芯片層對所述第一芯片層進(jìn)行校正得到校正的第一芯片層。

本實(shí)施例中，與所述被測器件的微分結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線對應(yīng)的微分結(jié)構(gòu)函數(shù)為：

ρ(r)＝c×ρ×k×a²，

其中，ρ(r)表示器件的微分結(jié)構(gòu)函數(shù)，a表示材料的橫截面積，k表示材料的熱導(dǎo)率，c表示材料的比熱容，ρ表示材料的密度；

與所述被測器件的積分結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線對應(yīng)的積分結(jié)構(gòu)函數(shù)為：

c(r)＝c×ρ×k×a²×r，

其中，c(r)表示器件的積分結(jié)構(gòu)函數(shù)，r表示器件的熱阻，a表示材料的橫截面積，k表示材料的熱導(dǎo)率，c表示材料的比熱容，ρ表示材料的密度。

本實(shí)施例中，分層模塊23確定的芯片的分層結(jié)構(gòu)與器件中組件的層狀結(jié)構(gòu)相似，因此，分層模型確定模塊24建立的熱等效分層模型可以方便的擴(kuò)展到器件的模型中，擴(kuò)展性很好，可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用工況來研究器件整體的電熱特性分布。

實(shí)施例3：

直流斷路器的應(yīng)用工況是壓接型igbt器件需要在3ms關(guān)斷大電流，而在這么短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱量很難通過外部的散熱器散出，熱量主要集中在芯片內(nèi)部，所以芯片內(nèi)部等效熱網(wǎng)絡(luò)的建模對結(jié)溫的預(yù)測非常重要。鑒于目前功率半導(dǎo)體器件中芯片結(jié)溫預(yù)測以及仿真模型的局限性，再結(jié)合直流斷路器應(yīng)用工況時(shí)的瞬態(tài)結(jié)溫預(yù)測需求，本實(shí)施例提供的一種預(yù)測功率器件結(jié)溫的方法包括：

步驟31：獲取被測器件的積分結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線和微分結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線；

步驟311：測量被測器件的電學(xué)參數(shù)與對應(yīng)的等效平均結(jié)溫，間接得到器件正常工作時(shí)的等效平均結(jié)溫曲線：

步驟3111：將被測壓接型功率半導(dǎo)體器件(以下簡稱被測器件)與相應(yīng)的測量夾具系統(tǒng)一并放入一個(gè)恒溫箱中，給被測器件輸入一個(gè)很小的感應(yīng)電流isense，使被測器件產(chǎn)生一定的結(jié)壓降vcc，其中，感應(yīng)電流isense的大小需要滿足既能使被測器件產(chǎn)生一定的結(jié)壓降，又不會使器件發(fā)生明顯的發(fā)熱，優(yōu)選地，isense為器件的維持電流；

步驟3112：將恒溫箱溫度升高到指定溫度，開始自然降溫，降溫的過程中每降5度采集一次電學(xué)參數(shù)值即結(jié)壓降vcc，將各測量點(diǎn)依次連接，得到被測器件結(jié)溫tj與電學(xué)參數(shù)vcc的變化關(guān)系曲線，即被測器件的等效平均結(jié)溫曲線。在熱阻測試過程中，只需要測量相應(yīng)的電學(xué)參數(shù)即可根據(jù)等效平均結(jié)溫曲線轉(zhuǎn)換得到器件每個(gè)時(shí)刻的等效平均結(jié)溫。

步驟312：給被測器件通過入一定的加熱電流使其達(dá)到熱平衡后，測量其降溫時(shí)的瞬態(tài)熱阻抗曲線：

步驟3121：如圖5所示，壓接型igbt器件內(nèi)部熱阻測量夾具包括：上基板11、中基板12、下基板13、立柱21、螺母22、壓力維持板3、壓力施加裝置4、壓力均布裝置5、冷卻系統(tǒng)接口61、直流母排接口62、散熱基板63、絕緣板7、傳感器8。其中，壓力施加裝置4包括：基座41、頂桿42、顯示儀表43；壓力均布裝置5包括：導(dǎo)柱51、碟簧52、半球面53。

將被測器件30夾在壓接型半導(dǎo)體器件熱阻測量夾具的第一散熱器1和第二散熱器2之間，器件的上殼表面301與第一散熱器1可直接接觸，或在器件的上殼表面301與第一散熱器1之間涂液態(tài)金屬以降低接觸界面的接觸熱阻。由于常規(guī)的導(dǎo)熱硅脂都是導(dǎo)熱但絕緣的界面材料，所以不適合作為壓接型功率半導(dǎo)體器件與散熱器間的界面材料，而本實(shí)施例中采用的液態(tài)金屬是一種導(dǎo)電和導(dǎo)熱性良好的合金。測量單面散熱熱阻時(shí)，在被測器件的下殼表面302與第二散熱器2間添加一個(gè)絕熱層，利用測量夾具給被測器件施加相應(yīng)的工作壓力f；

步驟3122：如圖6和圖7所示，第一電流源601的電流為idrive，第二電流602的電流為isense，第一電壓源603的電壓為15v，給被測器件605通入加熱電流idrive，其加熱功率為p，使被測器件605發(fā)熱。t1時(shí)間段為加熱階段，當(dāng)被測器件605內(nèi)部結(jié)溫tj達(dá)到熱平衡即被測器件溫度保持不變后，將外部加熱電流idrive切換到感應(yīng)電流isense。由于感應(yīng)電流很小，器件幾乎不會產(chǎn)生熱量，所以器件內(nèi)部結(jié)溫開始下降，t2時(shí)間段為冷卻階段。此時(shí)通過電壓表604測量器件兩端各個(gè)時(shí)刻的結(jié)壓降vcc，再通過步驟311中的電學(xué)參數(shù)與等效平均結(jié)溫的關(guān)系，即等效平均結(jié)溫曲線即可得到被測器件各個(gè)時(shí)刻的等效平均結(jié)溫tj；

當(dāng)t＝0時(shí)沒有加熱電流idrive，器件的結(jié)溫tj就是器件的殼溫tc，則可通過公式(1)得到器件的瞬態(tài)熱阻抗zth，并根據(jù)公式(1)繪制繪制被測器件的瞬態(tài)熱阻抗曲線。

步驟313：對實(shí)驗(yàn)得到的瞬態(tài)熱阻抗曲線進(jìn)行數(shù)值求導(dǎo)得到瞬態(tài)熱阻阻抗曲線的導(dǎo)數(shù)關(guān)系曲線：

對實(shí)驗(yàn)得到的瞬態(tài)熱阻抗公式即公式(1)進(jìn)行變量代換，令z＝ln(t)，然后再進(jìn)行數(shù)值求導(dǎo)可得到瞬態(tài)熱阻抗曲線的導(dǎo)數(shù)關(guān)系曲線da(z)/dz，其中a(z)如公式(2)所示；

步驟314：對瞬態(tài)熱阻抗曲線的導(dǎo)數(shù)關(guān)系曲線再進(jìn)行數(shù)值反卷積計(jì)算得到器件的時(shí)間常數(shù)譜；

對瞬態(tài)熱阻抗曲線的導(dǎo)數(shù)關(guān)系曲線(da(z))/dz進(jìn)行數(shù)值反卷積計(jì)算得到公式(3)所示的器件的時(shí)間常數(shù)譜r(z)，其中wz(z)＝exp[z-exp(z)]；

其中：表示反卷積計(jì)算的運(yùn)算符號；

步驟315：將器件的時(shí)間常數(shù)譜進(jìn)行離散化可以得到器件的阻容網(wǎng)絡(luò)模型foster模型，通過foster熱網(wǎng)絡(luò)與cauer熱網(wǎng)絡(luò)模型的轉(zhuǎn)換關(guān)系將foster熱網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換為cauer熱網(wǎng)絡(luò)模型；

將器件的時(shí)間常數(shù)譜r(z)進(jìn)行離散化可以得到器件的阻容熱網(wǎng)絡(luò)模型foster模型，通過foster熱網(wǎng)絡(luò)與cauer熱網(wǎng)絡(luò)模型的轉(zhuǎn)換關(guān)系，即通過公式(4)將foster熱網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換為cauer熱網(wǎng)絡(luò)模型，上述步驟313～步驟315的變換過程如圖8所示；

其中：s為拉普拉斯算子，c1、c2、…cn分別代表每層材料的熱容，r1、r2…rn分別代表每層材料的熱阻。

步驟316：通過器件的cauer熱網(wǎng)絡(luò)模型可以得到器件的積分結(jié)構(gòu)函數(shù)c(r)＝f(r)，即熱阻與熱容的關(guān)系，將熱容對熱阻進(jìn)行微分即可得到器件的微分結(jié)構(gòu)函數(shù)

通過器件的cauer熱網(wǎng)絡(luò)模型可以得到器件的積分結(jié)構(gòu)函數(shù)c(r)＝f(r)，即熱阻與熱容的關(guān)系。器件的cauer熱網(wǎng)絡(luò)模型和積分結(jié)構(gòu)函數(shù)的對應(yīng)關(guān)系如圖9所示，cauer熱網(wǎng)絡(luò)模型中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的熱阻rthi和熱容cthi與積分結(jié)構(gòu)函數(shù)一一對應(yīng)。再將熱容對熱阻進(jìn)行微分即可得到器件的微分結(jié)構(gòu)函數(shù)ρ(r)＝dc/dr，積分結(jié)構(gòu)函數(shù)和微分結(jié)構(gòu)函數(shù)如公式(5)和公式(6)；

c(r)＝c·ρ·k·a²·r(5)

其中：c(r)為器件的積分結(jié)構(gòu)函數(shù)，單位是w*s/k]；ρ(r)為器件的微分結(jié)構(gòu)函數(shù)，單位是w²*s/k²；r為器件的熱阻，單位是k/w；a為材料的橫截面積，單位是m²；k為材料的熱導(dǎo)率，單位是w/(m*k)；c為材料的比熱容，單位是j/(kg*k)，ρ為材料密度，單位是kg/m³。

步驟32：結(jié)合器件的封裝形式和封裝材料，再通過器件的積分結(jié)構(gòu)函數(shù)和微分結(jié)構(gòu)函數(shù)確定器件內(nèi)部的各層結(jié)構(gòu)，并確定芯片所對應(yīng)的積分結(jié)構(gòu)函數(shù)和微分結(jié)構(gòu)函數(shù)；

積分結(jié)構(gòu)函數(shù)中，器件中相同截面積的同一種材料的熱容與熱阻是線性關(guān)系，具有一個(gè)固定的斜率，當(dāng)熱量經(jīng)過器件中同一材料的不同截面積或不同材料時(shí)，斜率就會發(fā)生變化，即每個(gè)不同斜率代表不同材料或不同截面積。

微分結(jié)構(gòu)函數(shù)中，幅值k，即微分結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線中的拐點(diǎn)與器件的材料參數(shù)和幾何參數(shù)有關(guān)，與器件的熱阻值沒有關(guān)系，圖中的峰值點(diǎn)(拐點(diǎn))即是器件中不同材料或不同截面積的交界處，可以通過峰值點(diǎn)來判別器件內(nèi)部不同的材料的分界點(diǎn)。

如圖10所示，微分結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線l2中的第一分界線l1和第三分界線l3分別代表不同的材料的分界處，l1和l3之間包括熱阻值r1+rc。而積分結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線l1中的第一分界線l1和第二分界線l2分別代表兩層不同材料，l1和l2之間代表同一層材料，熱阻值為r1，之所以存在rc的誤差，因?yàn)閞c是不同層材料間的接觸熱阻。積分結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線l1和微分結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線l2中的起點(diǎn)就是芯片的pn結(jié)，所以l1左側(cè)對應(yīng)的就是半導(dǎo)體芯片區(qū)域，即芯片層。

步驟33：對芯片層的積分結(jié)構(gòu)函數(shù)和微分結(jié)構(gòu)函數(shù)進(jìn)行同樣的分層處理，可以得到芯片內(nèi)部的熱等效分層結(jié)構(gòu)以及各熱等效層的熱阻值，其中，熱等效分層結(jié)構(gòu)包括各熱等效層；

芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有著上萬個(gè)元胞結(jié)構(gòu)，每個(gè)元胞結(jié)構(gòu)又有復(fù)雜的微觀結(jié)構(gòu)，具體的結(jié)構(gòu)如圖2所示。從元胞結(jié)構(gòu)可以看出，雖然芯片的材料都是硅，但是因?yàn)閮?nèi)部各部分摻雜的離子種類、離子濃度、摻雜方式不同，造成局部微結(jié)構(gòu)的熱導(dǎo)率、熱容、導(dǎo)熱截面積都不同，即內(nèi)部存在熱阻不同的微結(jié)構(gòu)，因此可根據(jù)此原理對芯片進(jìn)行熱等效分層建模，來研究芯片內(nèi)部的熱分布特性；

對圖10所示的芯片層區(qū)域，即芯片層的積分結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線和微分結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線進(jìn)行同樣的處理，通過對比可以得到芯片的熱等效分層結(jié)構(gòu)，以及每層的熱阻值。具體對比方法如步驟32中描述，不同的是芯片的各等效層之間因?yàn)椴淮嬖趯?shí)質(zhì)的物理分層所以不存在接觸熱阻；

步驟34：根據(jù)步驟33中的熱等效分層結(jié)構(gòu)和等效熱阻值建立芯片的等效熱網(wǎng)絡(luò)模型；

根據(jù)芯片的熱等效分層結(jié)構(gòu)，對芯片進(jìn)行分層建模。如圖11和圖12所示，芯片pn結(jié)的熱等效分層模型為cauer熱網(wǎng)絡(luò)模型，每一層對應(yīng)一個(gè)熱阻值，其僅僅具有熱等效意義，可用于半導(dǎo)體芯片結(jié)溫和內(nèi)部溫度軸向分布的準(zhǔn)確預(yù)測，并沒有實(shí)際的物理或電氣特性意義，不代表芯片實(shí)際的分層結(jié)構(gòu)。本實(shí)施例中建立的芯片層的熱等效分層模型即為芯片層的等效電路。

本實(shí)施例針對功率半導(dǎo)體器件內(nèi)部芯片缺乏合理準(zhǔn)確的結(jié)溫預(yù)測模型以及很難準(zhǔn)確預(yù)測芯片內(nèi)部pn結(jié)處真正結(jié)溫的問題，提供的功率半導(dǎo)體芯片等效熱網(wǎng)絡(luò)模型的建模方法，將基于實(shí)驗(yàn)測量的結(jié)果作為芯片分層的依據(jù)，不再是單純根據(jù)經(jīng)驗(yàn)辦法，保證了建模方法的科學(xué)性。對芯片采用熱等效分層結(jié)構(gòu)，不是物理性的分層，在充分表征了芯片內(nèi)部熱等效的復(fù)雜結(jié)構(gòu)的同時(shí)，還簡化了模型的復(fù)雜度，預(yù)測結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

本發(fā)明提供的功率半導(dǎo)體芯片內(nèi)部等效熱網(wǎng)絡(luò)模型的建模方法，適用于一切功率半導(dǎo)體器件中芯片的仿真建模以及結(jié)溫的準(zhǔn)確預(yù)測，而且其等效熱網(wǎng)絡(luò)模型也可以方便的擴(kuò)展到任何封裝結(jié)構(gòu)的模型中。

本說明書中各個(gè)實(shí)施例采用遞進(jìn)的方式描述，每個(gè)實(shí)施例重點(diǎn)說明的都是與其他實(shí)施例的不同之處，各個(gè)實(shí)施例之間相同相似部分互相參見即可。對于實(shí)施例公開的系統(tǒng)而言，由于其與實(shí)施例公開的方法相對應(yīng)，所以描述的比較簡單，相關(guān)之處參見方法部分說明即可。

本文中應(yīng)用了具體個(gè)例對本發(fā)明的原理及實(shí)施方式進(jìn)行了闡述，以上實(shí)施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想；同時(shí)，對于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明的思想，在具體實(shí)施方式及應(yīng)用范圍上均會有改變之處。綜上所述，本說明書內(nèi)容不應(yīng)理解為對本發(fā)明的限制。