会展动态丨TMC2024 演讲摘要（芯华睿半导体）基于多物理场耦合的车规功率半导体器件设计仿真及试验验证

　　车规功率半导体；IGBT/SiC功率模块；多物理场耦合仿真；热阻网络模型；热管理

　　1）随着IGBT/SiC功率模块集成度的提高，导致模块的功率密度大幅度的增加，极易引起功率模块温度的剧烈波动。

　　2）IGBT/SiC功率模块结温过高或温度剧烈波动会导致电子元器件出现边界翘曲、焊料脱层、栅极氧化层损伤疲劳失效等可靠性问题。

　　3）传统的功率半导体模块设计优化方法需要大量的试验测试验证，存在成本高、周期长和效率低的缺点，不足以满足功率半导体快速设计优化迭代的需求。

　　1）基于多物理场耦合仿真和实验测试方法构建一套车规功率半导体模块的快速设计优化方法，能够迅速找到功率半导体结构和材料的最优参数范围，明显提升功率半导体的性能，大幅度缩短功率半导体的研发周期。

　　2）准确预测IGBT/SiC功率模块的温度分布，使组件在安全阈值以下运行，提升产品可靠性。

　　采用多物理场耦合仿真得到功率模块内部的横向导热热阻和对流换热热阻，基于热特性分析法和参数提取法，构建热阻网络模型。通过参数化设计，考虑功率半导体的温敏特性，探究了模型参数对功率模块结温和电流输出能力的影响。根据研究结果确定优化参数范围，并使用多物理场耦合仿真方法进一步验证。最后结合温敏电参数法进行实验测试，确定最终设计方案。

　　创新性：基于多物理场耦合仿真、热特性分析法和参数提取法，提出了一种新的热阻网络模型，该模型能轻松实现功率模块的快速参数化设计，涵盖了材料参数、结构参数、冷板Pin-Fin几何参数以及冷却液流量、温度参数等关键设计要素，创新性地构建了一套车规功率半导体热管理模块的快速设计优化方法。

　　实用性价值：与传统的设计方法相比，该方法可使热管理模块设计优化周期缩短50%-70%，大幅度降低功率模块结壳热阻，提高最大电流输出能力。

　　为了验证该快速设计优化方法的实用价值，对芯华睿IGBT/SiC功率半导体器件框架灌胶热管理模块进行优化改进。

　　2. 结合热阻网络模型的快速设计优化方法，功率半导体器件框架灌胶热管理模块设计优化时长由600小时缩短至200小时。

　　3. 通过改进模块结构、材料和Pin-Fin几何布局，功率半导体器件框架灌胶模块结壳热阻降低25%，最大电流输出能力提升12%。

　　本研究提出了一种新的车规功率半导体热管理模块的快速优化设计方法，将热管理模块的设计优化周期缩短至原来的50%-70%。基于该快速优化方法对功率半导体器件框架灌胶模块进行了优化设计，框架灌胶热管理模块设计优化时长由600小时缩短至200小时左右，功率半导体结壳热阻降低25%，最大电流输出能力提升12%。

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