[发明专利]一种基于自适应传热角度优化的功率器件结温估计方法

说明书

本发明涉及基于自适应传热角度优化的功率器件结温估计方法，包括：步骤S1：获取功率器件的几何参数及结构和材料系数及类别；步骤S2：基于几何参数及结构和材料系数及类别得到相邻材料层之间热传导角度的相关关系，并建立异质材料层的自适应传热角度模型；步骤S3：通过传热角度计算各层的有效传热面积，构建功率器件的Cauer热网络模型；步骤S4：采集环境温度，基于Cauer热网络模型并结合功率器件的损耗模型获取结温。与现有技术相比，本发明具有结温估计更加准确等优点。

技术领域

本发明涉及一种电子器件可靠性领，尤其是涉及一种基于自适应传热角度优化的功率器件结温估计方法。

背景技术

作为新能源转换系统及高压电力开关装置中的核心器件，功率器件的安全可靠运行关系到系统的整体稳定性。芯片在功率循环和热循环波动电热应力冲击下，极易出现热机械应力反复冲击导致的封装断裂和电应力失效。为此，大量的器件发热机制和传热过程研究以构建热源-传导-散热-失效的完备分析模型为目标，探究器件工作模式下的热失效机理及其影响因素，进而为器件的整体可靠性设计和优化热奠定理论基础。其中，基于热容、热阻的RC等效热-电转换模型，如Foster模型和Cauer模型等，虽然能对器件热传递过程直观量化，特别是相对于Foster模型以整体结温描述热传递方式而言，Cauer模型将器件物理构造具体等效为节点、热阻及热容，能够最大程度反映热量传递的实际过程，结温估计更为准确。但由于在Cauer热网络模型参数计算中，较少考虑物理材质层的异质特性所导致的热传递角度不同，且未加入温度波动对模型参数的影响，致使传热路径偏离实际传热情况，器件热网络模型的结温估计结果存在误差。现有的结温估计方法中，往往将热网络模型中各层间的传热角度设定为固定值，如考虑到计算的简便性将其设定为45°，尚未有针对传热角度的结温估计优化方法。

因此，亟需一种针对功率器件内部热传导机制的优化方法解决异质材料间传热角度的差异问题，以优化传热网络，进而提高热网络模型结温估计的准确性，满足功率器件可靠性的高精度要求。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于自适应传热角度优化的功率器件结温估计方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于自适应传热角度优化的功率器件结温估计方法，包括：

步骤S1：获取功率器件的几何参数及结构和材料系数及类别；

步骤S2：基于几何参数及结构和材料系数及类别得到相邻材料层之间热传导角度的相关关系，并建立异质材料层的自适应传热角度模型；

步骤S3：通过传热角度计算各层的有效传热面积，构建功率器件的Cauer热网络模型；

步骤S4：采集环境温度，基于Cauer热网络模型并结合功率器件的损耗模型获取结温。

所述步骤S1中功率器件的几何参数具体包括去封装和隔热材料后各层的边长和厚度，材料系数具体包括各物理材料层的传热系数，密度，厚度和比热容。

所述步骤S1中功率器件的几何结构具体包括芯片层，芯片焊料层，DCB上铜层，DCB基片层，DCB下铜层，基板焊料层和底板层；材料类别具体包括硅，铜，氧化铝，银基铜。

所述骤S2中自适应传热角度模型如下：

其中：tanθ_i(T)为温度为T时材料层i内热量传递方向与z轴的角度，tanθ_i+1(T)为温度为T时材料层i+1内热量传递方向与z轴的角度，k_i(T)为温度为T时第i层的导热系数，k_i+1(T)为温度为T时第i+1层的导热系数，T为温度。

所述步骤S3中功率器件的Cauer热网络模型具体为：