如何提升車規(guī)級功率半導(dǎo)體熱性能可靠性？

在當(dāng)今的汽車工業(yè)中，車規(guī)級功率半導(dǎo)體的使用越來越廣泛，它在汽車電子控制系統(tǒng)中扮演著非常重要的角色。然而，由于功率密度較高，車規(guī)級功率半導(dǎo)體在工作過程中會產(chǎn)生大量的熱量，如果熱量無法得到有效的處理，會導(dǎo)致功率半導(dǎo)體器件的性能下降，從而影響汽車的性能和安全。同時(shí)，產(chǎn)品迭代速度加快的需求使得留給工程師的設(shè)計(jì)周期越來越短，對散熱設(shè)計(jì)提出嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。因此，越來越多企業(yè)采用熱仿真和熱測試這兩種有效的手段來降低成本、加速研發(fā)，提升功率器件的熱性能可靠性。

01 熱仿真

熱仿真軟件，例如Simcenter Flotherm Flexx、Simcenter FloEFD等，可以幫助工程師更好地理解車規(guī)級功率半導(dǎo)體器件的熱管理問題。通過熱仿真，我們可以得到功率半導(dǎo)體器件在不同工作條件下的溫度分布情況，從而為設(shè)計(jì)師提供設(shè)計(jì)參考。熱仿真還可以幫助我們優(yōu)化功率半導(dǎo)體器件的散熱方案，以確保其在工作過程中能夠有效地散熱，避免溫度過高，從而提高汽車的性能和安全性。

Simcenter Flotherm Flexx:專業(yè)的電子散熱仿真軟件

Simcenter Flotherm Flexx是Flotherm產(chǎn)品和Flotherm XT產(chǎn)品的組合。

作為一款專門針對電子器件/設(shè)備熱設(shè)計(jì)而開發(fā)的仿真軟件，F(xiàn)loTHERM可以實(shí)現(xiàn)從元器件級、PCB板和模塊級、系統(tǒng)整機(jī)級到環(huán)境級的熱分析。FloTHERM軟件自1989 年推出以來就一直居于市場主要地位（市場占有率高達(dá)70%）并主導(dǎo)著該行業(yè)的技術(shù)發(fā)展。

FloTHERMxt是西門子工業(yè)軟件旗下專業(yè)的電子散熱仿真軟件，能覆蓋從元件級、板級、系統(tǒng)級到環(huán)境級的全尺度熱仿真分析。FloTHERMxt在繼承了FloTHERM專業(yè)電子行業(yè)數(shù)據(jù)庫等優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，極大增強(qiáng)了對于復(fù)雜曲面、不規(guī)則模型的幾何處理能力，使之成為業(yè)內(nèi)廣泛使用的專業(yè)熱仿真工具。

Simcenter FloEFD: 嵌入CAD環(huán)境的工程化流體及傳熱分析軟件

FloEFD是西門子工業(yè)軟件旗下，無縫嵌入主流三維CAD軟件中的高度工程化面向全行業(yè)的通用CFD流體傳熱分析軟件。FloEFD起源于1980年代的蘇聯(lián)航空航天工業(yè)，由莫斯科物理技術(shù)學(xué)院（MIPT）的專家開發(fā)，求解器算法結(jié)合了經(jīng)典數(shù)值分析模型和特殊的工程經(jīng)驗(yàn)，在不犧牲準(zhǔn)確度的前提下提供快速和便捷的求解方案。

FloEFD完全支持直接導(dǎo)入Creo, CATIA V5, Solidworks, NX等所有主流三維CAD模型, 并可以導(dǎo)入Parasolid, IGES, STEP, STL,等格式的模型文件。

# Simcenter仿真軟件在車規(guī)級功率器件的典型應(yīng)用

具備專門針對電動汽車的專業(yè)組合功能模塊 Electrical Vehicle Module

Electronics Cooling 電子散熱模塊

Power Electrification 動力電池模塊

EMAG 電磁仿真模塊

Structural 結(jié)構(gòu)力學(xué)仿真模塊

車規(guī)HPD模塊功率循環(huán)瞬態(tài)仿真（秒級）

車規(guī)平底模塊功率循環(huán)瞬態(tài)仿真

車規(guī)IGBT模塊熱-結(jié)構(gòu)耦合仿真

02 熱測試

通過熱測試硬件，例如Simcenter POWERTESTER、T3STER等，可以幫助研究人員進(jìn)行器件溫度測量和分析，獲得準(zhǔn)確而豐富的熱特性數(shù)據(jù)，可靠性數(shù)據(jù)等，準(zhǔn)確地準(zhǔn)確評估功率器件的熱特性和散熱能力，及時(shí)有效地為產(chǎn)品研發(fā)和改進(jìn)提供數(shù)據(jù)支撐。對器件進(jìn)行熱測試，將有效地提高產(chǎn)品質(zhì)量，大幅度縮短測試時(shí)間，加速產(chǎn)品研發(fā)進(jìn)程。

Simcenter POWERTESTER: 功率循環(huán)及熱測試平臺

Simcenter POWERTESTER具備先進(jìn)的測試?yán)砟睿和粋€(gè)測試平臺可以同時(shí)進(jìn)行功率循環(huán)和熱測試，任何與老化降級相關(guān)的熱效應(yīng)都可以在不移動待測器件的情況下通過結(jié)構(gòu)函數(shù)在線監(jiān)測，與傳統(tǒng)的老練設(shè)備相比更加節(jié)省時(shí)間，能獲得完整的失效數(shù)據(jù)。測試范圍廣，可測試MOSFET, IGBT以及二極管等器見。Simcenter POWERTESTER可預(yù)估器件壽命，幫助用戶獲得功率電子器件在真實(shí)應(yīng)用條件下的使用壽命。

# Simcenter POWERTESTER在車規(guī)級功率器件熱測試的典型應(yīng)用

電動汽車用IGBT壽命預(yù)估：

壽命預(yù)估流程, 測試壽命曲線中的數(shù)據(jù)點(diǎn)并估算壽命

Simcenter T3STER:半導(dǎo)體熱特性熱測試儀

T3STER：熱瞬態(tài)測試儀，是半導(dǎo)體熱特性熱測試儀器，可用于測試半導(dǎo)體分立器件及模塊的結(jié)溫、穩(wěn)態(tài)熱阻、瞬態(tài)熱阻，同時(shí)可用于測試IC、SoC、SIP、 散熱器、熱管等的熱特性。T3STER兼具JESD51-1定義的靜態(tài)測試法（Static Mode）與動態(tài)測試法（Dynamic Mode），能夠?qū)崟r(shí)采集器件 瞬態(tài)溫度響應(yīng)曲線（包括升溫曲線與降溫曲線），瞬態(tài)采樣時(shí)間分辨率高達(dá)1微秒，測試延遲時(shí)間高達(dá)1微 秒，結(jié)溫分辨率高達(dá)0.006℃。

# Simcenter T3Ster典型應(yīng)用：利用T3Ster研究MOSFET器件

英飛凌利用T3Ster,按照J(rèn)ESD51-14測試其MOSFET器件的結(jié)殼熱阻

產(chǎn)品型號：SPP80N06S2L-11 TO 封裝

測試結(jié)果:

器件在兩種不同的散熱環(huán)境下結(jié)溫隨著時(shí)間的變化曲線

器件在兩種不同的散熱環(huán)境下的微分結(jié)構(gòu)函數(shù)

英飛凌是T3Ster的戰(zhàn)略合作伙伴，共同制定了全新的結(jié)殼熱阻測試標(biāo)準(zhǔn)JESD51-14。通過T3Ster，不僅可以測試器件的結(jié)殼熱阻，還可以通過結(jié)構(gòu)函數(shù)分析器件熱流傳導(dǎo)路徑上各層結(jié)構(gòu)的熱阻值。

熱仿真與熱測試相結(jié)合

Simcenter Flotherm Flexx / FLOEFD 導(dǎo)入瞬態(tài)熱阻測試儀T3Ster的測試數(shù)據(jù)，通過對Structure Fuction結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線的對比擬合，可以精確地校準(zhǔn)初始仿真模型。

經(jīng)過校準(zhǔn)的器件熱模型，不僅結(jié)構(gòu)尺寸信息準(zhǔn)確，同時(shí)也能更加精確的描述器件的瞬態(tài)熱特性。

校準(zhǔn)流程