[发明专利]关于IGBT堆叠结构结壳热阻的简化算法

说明书

技术领域

本发明涉及一种IGBT堆叠结构结壳热阻的简化算法。 

技术背景

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。 

IGBT堆叠结构的结壳热阻是电力电子模块的重要参量，在IGBT堆叠结构中，热源是芯片。从芯片层开始热流流经上层焊锡层(芯片与DBC连接焊锡层)、DBC上层金属层、DBC陶瓷层、DBC下层金属层、下层焊锡层(DBC与基板连接焊锡层)和焊锡层六层。热流流经以上基层便在芯片上表面(结)和基板下表面(壳)的温度差。而根据公式Δt＝Rth·P，式中Δt是温度差，Rth是模块热阻，P是芯片的功率。当芯片功率一定时决定结壳温度差的就是热阻。对于热阻的算法比较精确的方法是通过有限元和热力学知识算出，计算机仿真就是通过这种方式的出IGBT模块的结壳热阻值。然而这种方法较为复杂，不适合我们很快的估算热阻值。工程上常用热源的传递角度是45°来近似估算，这样估算的结果往往误差较大。因为热流的传递角度和诸多因素有关：材料的导热系数、材料层的厚度以及芯片的尺寸。 

发明内容

本发明针对现有技术中的不足，提供了一种IGBT堆叠结构结壳热阻的简化算法。 

为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决： 

关于IGBT堆叠结构结壳热阻的简化算法，IGBT堆叠结构共有七层材料， 包括芯片层，上层焊锡层，DBC上层金属层，DBC陶瓷层，DBC下层金属层，下层焊锡层，基板层，总热阻为这七种材料的热阻串联之和，表述如下， 

总热阻 

Rth_total＝Rth_chip+Rth_soder1+Rth_DBC_me1+Rth_DBC_ci+Rth_DBC_me2+Rth_soder2+Rth_base 

其中，Rth_total为堆叠结构的总的结壳热阻，Rth_chip为芯片层热阻，Rth_soder1为上层焊锡层热阻，Rth_DBC_me1为DBC上层金属层热阻，DBC的金属层为铝或铜，Rth_DBC_ci为DBC陶瓷层热阻，DBC陶瓷为氧化铝或氮化铝或氮化硅，Rth_DBC_me2为DBC下层金属层热阻，与上层金属层相同，Rth_soder2为下层焊锡层热阻，Rth_base为基板层热阻，基板为铜为铝碳化硅；从芯片产生的热流可以近似为扩散式的往下面各层传递。 

每层材料的热阻计算如下， 

Rth=∫0heigth1λ·(length+2x·tanα)·(width+2x·tanβ)dx]]>

其中，Rth为某一层的热阻，λ为该层材料的导热系数，对于堆叠模块由于芯片一般都是矩形的，所以热量的传递是自上而下以类似于梯台型的方式向下传递，length为热源传递到该层上表面横向上的长度，width为热源传递到该上表面纵向上的宽度，a为热流在该层横向上的传递角度，β为热源在该层纵向上的传递角度。 

IGBT堆叠模块DBC的金属层常有铝和铜两种金属，DBC陶瓷常有氧化铝、氮化铝和氮化硅三种材料，模块的基板常有铜和铝碳化硅两种材料。那么，关于IGBT模块中的材料就有12中组合，对其分类如附表1。针对这十二种组合就对应了十二组的算法，这样就区别了由于材料的不同所带来的误差。根据本发明的算法计算出的热阻值误差可以限制在10％之内，完全可以用于工程应用。