关于igbt堆叠结构结壳热阻的简化算法
【专利摘要】本发明涉及公开了一种IGBT堆叠结构结壳热阻的简化算法，GBT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。
【专利说明】关于IGBT堆叠结构结壳热阻的简化算法
【技术领域】
[0001]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
[0002]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。
[0003]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At =Rth*P，式中At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】
[0004]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。
[0005]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:
[0006]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，
[0007]总热阻
[0008]Rth—total = Rth—chip+Rth—soderl+Rth—DBC—mel+Rth—DBC—ci+Rth—DBC—me2+Rth_soder2+Rth—base
[0009]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_soderl为上层焊锡层热阻，Rth_DBC_mel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。
[0010]每层材料的热阻计算如下，
/.heigthI
[00111 Rth= \ -dx
Jo X^ilength + 2x?tan ay(width + 2x?tan β)
[0012]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。
[0013]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、氮化铝和氣化娃二种材料，|旲块的基板常有铜和招碳化娃两种材料。那么，关于IGBT I旲块中的材料就有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。
[0014]附表1 DBC各层常见材料组合
[0015]
【权利要求】
1.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，其特征在于:IGBT堆叠结构的总热阻为这七层材料的热阻串联之和，表述如下， 总热阻
Rth—total = Rth—chip+Rth—doderl+Rth—DBC—mel+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_soderl为上层焊锡层热阻， Rth_DBC_mel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，下层金属层与上层金属层材料相同， Rth_soder2为下层焊锡层热阻， Rth_base为基板层热阻,基板为铜或招碳化娃； 每层材料的热阻计算如下，
2.根据权利要求1所述的关于IGBT堆叠结构结壳热阻的简化算法，其特征在于:IGBT堆叠结构包括芯片层，上层焊锡层，DBC上层金属层为Cu，DBC陶瓷层为Al2O3, DBC下层金属层Cu，下层焊锡层，基板层为Cu ;上述各层的热流传递角度分别为 DBC上层金属层
tan a _DBC_mel = 1.3-0.1.chip_length+mel—heigth，
tan β _DBC_mel = 1.3-0.1.chip—width+mel—heigth， DBC陶瓷层
3.根据权利要求1所述的关于IGBT堆叠结构结壳热阻的简化算法，其特征在于:IGBT堆叠结构包括芯片层，上层焊锡层，DBC上层金属层为Cu，DBC陶瓷层为A1N，DBC下层金属层Cu，下层焊锡层，基板层为Cu ； 上述各层的热流传递角度分别为 DBC上层金属层
tanα —DBC—mel = 0.35-0.025.chip—length+mel—heigth，
tan β _DBC_mel = 0.35-0.025.chip—width+mel—heigth， DBC陶瓷层
tan a —DBC—ci = 0.8-0.05.chip—length，
tanβ —DBC—ci = 0.8-0.05.chip—width， DBC下层金属层
4.根据权利要求1所述的关于IGBT堆叠结构结壳热阻的简化算法，其特征在于:IGBT堆叠结构包括芯片层，上层焊锡层，DBC上层金属层为Cu，DBC陶瓷层为Al2O3, DBC下层金属层Cu，下层焊锡层，基板层为AlSiC ;上述各层的热流传递角度分别为 DBC上层金属层
5.根据权利要求1所述的关于IGBT堆叠结构结壳热阻的简化算法，其特征在于:IGBT堆叠结构包括芯片层，上层焊锡层，DBC上层金属层为Cu，DBC陶瓷层为A1N，DBC下层金属层Cu，下层焊锡层，基板层为AlSiC ； 上述各层的热流传递角度分别为 DBC上层金属层
tan a —DBC—mel = 1.05-0.075.chip_length+mel—heigth，
tan β _DBC_mel = 1.05-0.075.chip—width+mel—heigth， DBC陶瓷层
tan a —DBC—ci = 0.9-0.05.chip—length，
tanβ —DBC—ci = 0.9-0.05.chip—width， DBC下层金属层
6.根据权利要求1所述的关于IGBT堆叠结构结壳热阻的简化算法，其特征在于:IGBT堆叠结构包括芯片层，上层焊锡层，DBC上层金属层为A1，DBC陶瓷层为Al2O3,DBC下层金属层Al，下层焊锡层，基板层为Cu ； 上述各层的热流传递角度分别为 DBC上层金属层
7.根据权利要求1所述的关于IGBT堆叠结构结壳热阻的简化算法，其特征在于:IGBT堆叠结构包括芯片层，上层焊锡层，DBC上层金属层为Al，DBC陶瓷层为A1N，DBC下层金属层Al，下层焊锡层，基板层为Cu ； 上述各层的热流传递角度分别为 DBC上层金属层
8.根据权利要求1所述的关于IGBT堆叠结构结壳热阻的简化算法，其特征在于:IGBT堆叠结构包括芯片层，上层焊锡层，DBC上层金属层为A1，DBC陶瓷层为Al2O3,DBC下层金属层Al，下层焊锡层，基板层为AlSiC ; 上述各层的热流传递角度分别为 DBC上层金属层
tan a _DBC_mel = 0.3-0.05.(chip_length_10)+mel_heigth，
tan a _DBC_mel = 0.3-0.05.(chip_width_10)+mel_heigth, DBC陶瓷层
9.根据权利要求1所述的关于IGBT堆叠结构结壳热阻的简化算法，其特征在于:IGBT堆叠结构包括芯片层，上层焊锡层，DBC上层金属层为Al，DBC陶瓷层为A1N，DBC下层金属层Al，下层焊锡层，基板层为AlSiC ； 上述各层的热流传递角度分别为 DBC上层金属层
tan a —DBC—mel = 0.3+meI—heigth，
tan a —DBC—mel = 0.3+meI—heigth， DBG陶瓷层
tan a —DBC—ci = 1.1-0.05.chip_length，
tan a —DBC—ci = 1.1-0.05.chip—width， DBG下层金属层
10.根据权利要求1所述的关于IGBT堆叠结构结壳热阻的简化算法，其特征在于:IGBT堆叠结构包括芯片层，上层焊锡层，DBC上层金属层为Cu，DBC陶瓷层为Si3N4, DBC下层金属层Cu，下层焊锡层，基板层为Cu ； 上述各层的热流传递角度分别为 DBC上层金属层
tan a —DBC—mel = 0.4，
tanβ —DBC—mel = 0.4， DBC陶瓷层
11.根据权利要求1所述的关于IGBT堆叠结构结壳热阻的简化算法，其特征在于:IGBT堆叠结构包括芯片层，上层焊锡层，DBC上层金属层为Al，DBC陶瓷层为Si3N4, DBC下层金属层Al，下层焊锡层，基板层为Cu ； 上述各层的热流传递角度分别为 DBC上层金属层
tan a _DBC_meI = 0.9-0.05.chip_length,
tanβ _DBC_meI = 0.9-0.05.chip_width, DBC陶瓷层
tan a _DBC_ci = 0.9-0.05.chip_length,
tanβ _DBC_ci = 0.9-0.05.chip_width, DBC下层金属层
12.根据权利要求1所述的关于IGBT堆叠结构结壳热阻的简化算法，其特征在于:IGBT堆叠结构包括芯片层，上层焊锡层，DBC上层金属层为Cu，DBC陶瓷层为Si3N4, DBC下层金属层Cu，下层焊锡层，基板层为AlSiC ； 上述各层的热流传递角度分别为DBC上层金属层
13.根据权利要求1所述的关于IGBT堆叠结构结壳热阻的简化算法，其特征在于:IGBT堆叠结构包括芯片层，上层焊锡层，DBC上层金属层为Al，DBC陶瓷层为Si3N4, DBC下层金属层Al，下层焊锡层，基板层为AlSiC ； 上述各层的热流传递角度分别为 DBC上层金属层
tan a _DBC_mel = 1.6-0.1.chip_length，
tan β _DBC_mel = 1.6-0.1.chip—width，DBC陶瓷层
tan a _DBC_ci = 0.8,
tan β _DBC_ci = 0.8, DBC下层金属层:
14.根据权利要求2-13任一所述的关于IGBT堆叠结构结壳热阻的简化算法，其特征在于:所述芯片层热流传递角度分别为 tan a _chip = O,纵向热流传递角度值也为O, 上层焊锡层 tan a_soderl = O,纵向热流传递角度值也为O。
【文档编号】H01L23/36GK103839901SQ201210482570
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2012年11月22日 优先权日:2012年11月22日
【发明者】程士东, 盛况, 谷彤, 郭清, 张军明 申请人:浙江大学