Mosfet 芯片傳熱模型
客戶需要知道Mosfet (metal–oxide–semiconductor field-effect transistor) ，即金屬氧化物半導體場效應晶體管，在工作狀態下的結溫。Mosfet的實物在 Figure 1中給出。殼溫 Tc 是指銅板底部相對應 Mos 芯片位置的溫度；芯片溫度，即結溫Tj是需要確定 的溫度。芯片的位置和Mosfet的幾何結構在Figure 2中已經標出。
我們編制了三維的溫度計算模型 MosfetTemp 來計算所需要的結溫。之所以采用自編程序是因為
- Mosfet 幾何可以簡化為規則的矩形幾何，完全由結構化網格離散
- 因為Mos和Dio芯片厚度極薄，最好簡化為面功率和面熱阻。在ANSYS Fluent里無法實現面熱阻，即一個面單元上需要有兩個溫度。
- 自編軟件容易實現經驗換熱系數的訓練，而ANSYS Fluent不具備此功能。
但是，我們也做了Mosfet的Fluent模型，用來和自編程序互相標定。
Figure 1 CREE Mosfet實物外形圖，外形尺寸為 0.0614 x 0.1064 x 0.0223 m3。其中殼(casing)是指下面的銅板，而結(junction)是指 Mos 芯片。
Figure 2 Mosfet 計算模型示意圖。其中殼(casing)是指下面的銅板，而結(junction)是指 Mos 芯片。
Figure 3 Mosfet 芯片和焊接層的面元模型。由于芯片和焊接層的厚度極低，在三維空間模型中不宜再使用有限厚度尺寸，那么將芯片和焊接層簡化為無厚度的面元。但是，我們仍需保留芯片溫度/焊接層上表面溫度 Tf2 和焊接層下表面溫度/銅板上表面溫度Tf1的區別，因為焊接層(Soldering) Tf2和Tf1之間仍有由hmos刻畫的有限的熱阻。如圖顯示了各種熱流 (紅色箭頭標出)之間關系。由硅膠層 (T2)進入芯片(Mos chips)的熱流 q2,out =h2(T2- Tf2), 由芯片進入焊接層(Soldering)的熱流 qsolder,in =h2(T2- Tf2) +p, 以及由焊接層進入銅板的熱流 qsolder,out = hmos(Tf2- Tf1)之間的關系。最后是由銅板出來進入環境溫度的熱流qcu,out = ha2(Tc- Ta2)。所謂Mos 熱阻主要由 hmos提供，所以測試工況訓練熱阻主要就是訓練hmos。
為了保證結果的可靠性，我們對比了 MosfetTemp和Fluent的計算結果。
Figure 4 MosfetTemp 和 Fluent 在一個特定工況下的對比。我們看到，除了個別地方fluent結果有些局部缺陷，整體上結果還是高度一致的。