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(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管，在工作狀態(tài)下的結(jié)溫。Mosfet的實(shí)物在 Figure 1中給出。殼溫 Tc 是指銅板底部相對(duì)應(yīng) Mos 芯片位置的溫度；芯片溫度，即結(jié)溫Tj是需要確定 的溫度。芯片的位置和Mosfet的幾何結(jié)構(gòu)在Figure 2中已經(jīng)標(biāo)出。
我們編制了三維的溫度計(jì)算模型 MosfetTemp 來計(jì)算所需要的結(jié)溫。之所以采用自編程序是因?yàn)?/p>
- Mosfet 幾何可以簡(jiǎn)化為規(guī)則的矩形幾何，完全由結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格離散
- 因?yàn)镸os和Dio芯片厚度極薄，最好簡(jiǎn)化為面功率和面熱阻。在ANSYS Fluent里無法實(shí)現(xiàn)面熱阻，即一個(gè)面單元上需要有兩個(gè)溫度。
- 自編軟件容易實(shí)現(xiàn)經(jīng)驗(yàn)換熱系數(shù)的訓(xùn)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(biāo)定。
Figure 1 CREE Mosfet實(shí)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(jié)(junction)是指 Mos 芯片。
Figure 2 Mosfet 計(jì)算模型示意圖。其中殼(casing)是指下面的銅板，而結(jié)(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(jiǎn)化為無厚度的面元。但是，我們?nèi)孕璞Ａ粜酒瑴囟?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(qū)別，因?yàn)楹附訉?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(biāo)出)之間關(guān)系。由硅膠層 (T2)進(jìn)入芯片(Mos chips)的熱流 q2,out =h2(T2- Tf2), 由芯片進(jìn)入焊接層(Soldering)的熱流 qsolder,in =h2(T2- Tf2) +p, 以及由焊接層進(jìn)入銅板的熱流 qsolder,out = hmos(Tf2- Tf1)之間的關(guān)系。最后是由銅板出來進(jìn)入環(huán)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(cè)試工況訓(xùn)練熱阻主要就是訓(xùn)練hmos。
為了保證結(jié)果的可靠性，我們對(duì)比了 MosfetTemp和Fluent的計(jì)算結(jié)果。
Figure 4 MosfetTemp 和 Fluent 在一個(gè)特定工況下的對(duì)比。我們看到，除了個(gè)別地方fluent結(jié)果有些局部缺陷，整體上結(jié)果還是高度一致的。