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电动汽车驱动 多物理场耦合 ★ 4.0

浪涌条件下键合线功率芯片三维电热耦合温度评估建模

Three-Dimensional Electro-Thermal Coupling Temperature Evaluation Modeling of Wire-Bonded Power Chips Under Surge Conditions

作者 Feilin Zheng · Binqi Liang · Xiang Cui · Xuebao Li · Lei Qi
期刊 IEEE Transactions on Power Electronics
出版日期 2024年11月
技术分类 电动汽车驱动
技术标签 多物理场耦合
相关度评分 ★★★★ 4.0 / 5.0
关键词 功率半导体芯片 浪涌条件 瞬态结温 电热模型 温度分布
语言:

中文摘要

功率半导体芯片在浪涌条件下的失效与自热导致的高温之间的关系凸显了获取芯片在浪涌条件下的温度对于可靠性评估的重要性。然而,目前直接获取芯片瞬态结温的实验方法在浪涌条件下的实际工程中并不容易应用。因此,迫切需要进行精确建模来计算芯片的瞬态温升。本文提出了一种开创性的全耦合电热模型,该模型将芯片物理特性与三维封装结构相结合。它无需进行破坏性的浪涌实验,就能计算芯片在浪涌条件下的三维温度分布。本文阐述了建模原理和过程,表明该模型得出的浪涌电流 - 电压轨迹和温度分布与实验测量结果高度吻合。

English Abstract

The relationship between the failure of power semiconductor chips under surge conditions and the resultant high temperatures due to self-heating underscores the importance of acquiring the chip's temperature during surge conditions for reliability assessment. However, the current experimental approach for directly obtaining the chip's transient junction temperature is not readily applicable in practical engineering under surge conditions. Hence, there is a critical need for accurate modeling to calculate the chip's transient temperature rise. This article presents a pioneering fully-coupled electro-thermal model that integrates chip physical properties with three-dimensional (3-D) packaging structures. It facilitates the computation of the chip's 3-D temperature distribution under surge conditions without resorting to destructive surge experiments. The article elucidates the modeling principles and process, demonstrating that the surge I-V trajectory and temperature distribution derived from the model closely match experimental measurements.
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SunView 深度解读

从阳光电源的业务角度来看,这项三维电热耦合温度评估建模技术对我们的核心产品线具有重要的战略价值。在光伏逆变器和储能系统中,功率半导体芯片是承载大功率转换的核心器件,其在雷击浪涌、电网故障等极端工况下的可靠性直接决定了系统的安全性和寿命。

该技术的核心价值在于能够在不进行破坏性实验的前提下,精确预测芯片在浪涌条件下的三维温度分布。这对阳光电源具有三重意义:首先,可显著降低产品开发阶段的测试成本,传统的浪涌破坏性试验不仅昂贵且周期长,该模型能够通过仿真快速迭代优化设计;其次,能够提升我们逆变器和储能变流器的抗浪涌能力设计水平,通过精确掌握芯片热点分布,优化散热结构和线键合布局,增强产品在复杂电网环境下的生存能力;第三,为产品可靠性评估提供定量化工具,支撑我们向客户提供更精准的寿命预测和质保承诺。

从技术成熟度来看,该研究已实现模型与实验数据的高度吻合,具备工程化应用的基础。但实际应用仍面临挑战:模型需要整合多物理场参数和复杂的三维封装结构信息,对仿真平台和参数库的完整性要求较高;不同封装工艺和芯片代次的模型适配需要持续投入。

建议阳光电源与该研究团队建立合作,将此技术集成到我们的功率器件选型和系统设计流程中,特别是在大功率储能系统和1500V高压光伏系统等对可靠性要求极高的场景中优先应用,形成差异化的技术竞争力。