通过热模拟工具加快产品上市速度

由市场开发经理 Guillem Gargallo 发表
先进电子解决方案

简介

在使用 SiC 时，要考虑的一个关键因素是如何在比 Si 芯片更小的面积上进行散热。这些器件的成本较高，促使许多人将芯片尺寸减小到最小程度，这进一步加大了在不增加总系统成本的情况下消除损耗的难度。

为了应对这一挑战，最近发布了多个电源模块概念，其中大多数概念的一个共同点是利用金属化陶瓷基板。金属化陶瓷基板具有卓越的机械、热和电气特性，因此成为了电动汽车牵引应用功率模块设计中的重要元素。在选择基材的材料组合时，必须特别注意这一点，以实现出色的热性能、满足可靠性要求并优化成本。

那么问题来了：理想的材料组合是什么？是否应该选择 0.3 mm 铜层的 HPS（掺杂锆的 Al2O3）基板？一方面，可通过付出高昂成本获得良好的机械稳定性，但热性能有限。或者，如果将铜厚度增加到 0.6 mm 会怎样？此外，如果将基板改为 Si3N4，是否会增加成本并影响热性能？

对于“假设”问题，没有简单的答案。

为了帮助客户回答这些问题并加快决策制定速度，罗杰斯的团队利用丰富的经验开发了一系列模拟工具。在本博客中，我们将使用一个简化的热模型来展示这些模拟工具中的一小部分。此模拟可进行扩展，以纳入定制的图形、模块结构（例如带或不带翅片的底板；双面散热等）或其他材料组合，以更详细地分析对特定设计的影响。此外，还可以使用 FEM 模拟以及寿命预测模型来进行更深入的流体分析。

模型

为简明起见，在本博客中我们使用了基本的通用模型，该模型基于一个连接到恒温铜水冷却器的经典无底座模块（见图 1）。此模块焊接到散热器上，或者连接到热界面材料 (TIM)。我们比较了两种不同布局上的基板材料和铜厚度（见表 1）。第一种布局在芯片周围有足够大的铜区域，可实现良好的热扩散（见图 2）。在第二种布局中，芯片尽可能靠近，并且周围的铜区域最小（见图 3）。为了进一步简化模型，我们假设散热器的单个传热系数为 15000 W/m2K，每个芯片的恒定损耗为 200 W。 

该模型的复杂度可以大幅提高。可根据具体要求调整定制图形、动态损耗、特定散热器或互连技术。

图 1：横截面简化模型

图 2：布局 1；5x5mm SiC 芯片，周围有 5mm 的铜区域

图3：布局 2；5x5 SiC 芯片，周围有 1mm 的铜区域

Table {{N:1}} 在模拟过程中使用的材料和特性

分析一些场景

使用所建立的模型，我们可以查看多种可能的情况。我们可以分析多个不同的影响参数，例如陶瓷材料及其厚度、铜厚度，散热器连接（TIM 或焊接/烧结）的影响，以及芯片间距等等。为简单起见，我们只关注了几个场景，但可以根据要求进行更深入的分析。

我们知道，下图中显示的某些温度远远超出任何设计目标。我们并不是要从字面上理解它们，而是将其作为一个用于比较不同解决方案的指标。另一种方法是将结果标准化。

陶瓷基板和布局的影响

在第一个阶段，我们将比较两种不同布局中陶瓷基板材料对芯片温度的影响。在图 4 中，可以观察到在所有解决方案中对散热器使用焊接材料或使用标准 0.3 mm 铜厚度时得到的对比。

图 4：对应于不同陶瓷材料和厚度的最高芯片温度（采用 0.3mm 铜，并使用 SAC 材料焊接到散热器）

上图包含大量信息，但首先，无论材料组合如何，我们都可以突出布局 1 和 2 之间的显著差异。这里特别强调了需要在芯片周围有足够的铜区域，以促进热扩散。可以通过提高周围环境传热系数（将增强 y 轴上的热耗散）来降低布局的影响。尽管如此，只要可能，就应在芯片周围使用足够大的铜区域。

正如预期的那样，如果使用具有较高热导率的陶瓷材料，会导致较低的温度。在材料厚度相同的情况下，HPS 和其他材料之间存在很大的差距。然而，90 W/mK 标准 Si3N4 和热导率高一倍的 AlN 之间仍存在差异，但不太明显。

此外，还可以观察到，为了满足设计参数的要求，陶瓷材料厚度的减少可能会降低芯片温度，对于 HPS 尤其如此。

铜层厚度的影响

遗憾的是，要改进陶瓷基板，需付出成本，在某些设计中，陶瓷的改进并不能实现。一个更经济的选项是增加铜层厚度，例如从 0.3 mm 增加到 0.6 mm，甚至 2 mm。后一选项会带来一些设计和可靠性方面的挑战，但仍然值得考虑。图 5 和图 6 中分别显示了对应于布局 1 和 2 的不同铜厚度的比较结果。

图 5：对应于不同陶瓷材料和铜厚度的最高芯片温度（使用 SAC 材料焊接到散热器）。仅适用于布局 1

在图 5 中，可以清楚地观察到，当芯片周围有足够的铜区域时，通过增加该铜层的厚度可以为系统带来巨大好处。例如，使用 0.25 mm HPS 的 0.6 mm 铜层，能够以更优的成本实现与 0.3 mm 铜 Si3N4 相似的芯片温度（绿线）。此外，与 0.3 mm 铜 AlN 相比，0.6 mm 铜 Si3N4 还可以提高性能，具有更优的可靠性。

更厚的 2 mm 铜层可进一步提高芯片温度。在这一点上，可以发现改进中有一定的饱和，而更厚的铜层不会带来任何明显的好处。

当然，我们并不总是能够在芯片周围设置足够大的铜区域。如果布局更紧凑，则情况会完全不同，如图 6 所示。

图 6：对应于不同陶瓷材料和铜厚度的最高芯片温度（使用 SAC 材料焊接到散热器）。仅适用于布局 2

在这种情况下，较厚的铜层不会带来任何额外价值，因为芯片不会从较厚铜层的水平散热效应中受益。此外，对于非常厚（例如 2mm）的铜层，增加的材料会阻碍 y 轴的热传导，导致 Rth增加，从而使得芯片温度升高。总体而言，较厚的铜在某些条件下可能会带来优势，但并不总是理想的解决方案。

散热器连接方式的影响

到目前为止，我们关注的是基板。当然，散热途径中还存在许多其他障碍，而散热器连接方式是最相关的障碍之一。在图 7 中，我们可以看到相应对比的结果。

图7：不同陶瓷对应的最高芯片温度（使用 SAC 材料焊接到散热器或使用标准 TIM 连接）。仅适用于布局 2

无论使用哪种陶瓷基板，温差都很大。在这两种情况下，温度都超出了大多数设计的目标；然而，它显示了此连接层在整体设计中的相关性。有人可能会争辩说，TIM 层 (100 µm) 的厚度和材料本身可以进一步优化，但焊接材料也可以进一步优化。

结论

要为功率模块确定理想的材料，可能需要完成艰巨的工作。要找到理想的解决方案，必须考虑许多不同的参数，例如陶瓷材料及其厚度、铜厚度、散热器接口、散热方法等。不能通过试错来做到这一点，这不切实际。而且，必须具有模拟工具的支持，以确保恰当的产品上市时间和开发成本。

罗杰斯开发了一系列工具来帮助客户，并支持他们做出决策。在本博客中，我们用一个简单的热模型展示了这些工具中的一小部分。还可以通过模拟来完成其他方面，如可靠性和成本。此外，可调整热模型来适应更复杂的真实环境。我们致力于扩展和改进这些工具，并使用它们为客户服务，帮助客户降低设计成本和节省时间。

您对我们的陶瓷基板有任何疑问或想了解更多信息？若您需要任何帮助，则请联系我们。

标签：
Olivier's Twist 博客

发布于 2022 年 4 月 27 日

返回博客