王詠，閆鵬修，許杰文，李亮亮，朱賢龍

（廣東芯聚能半導體有限公司，廣東廣州，514000）

0 引言

隨著新能源汽車等行業(yè)的快速發(fā)展[1]和第三代半導體材料SiC的應用[2]，功率模塊的技術(shù)也隨之快速發(fā)展，對功率模塊的設計和仿真提出了更高的要求。

在功率模塊的設計中，需要關(guān)注多個方面的性能表現(xiàn)，以更好地滿足應用場景的需求。例如面對電流輸出能力，需要關(guān)注模塊的熱性能、寄生參數(shù)組成和大小、載流能力、雙脈沖表現(xiàn)、應用電路表現(xiàn)；面對絕緣的要求，需要關(guān)注模塊的絕緣耐壓表現(xiàn)；面對模塊壽命的要求，需要關(guān)注其可靠性的表現(xiàn)。

在功率模塊的研發(fā)中，按照以往的流程，評估設計是否能滿足設計指標，需要經(jīng)過：購買材料、制作樣品、測試樣品多個流程，花費的時間和成本都很高，如果測試出來的產(chǎn)品達不到設計指標，還需要多輪的周期才能完成產(chǎn)品開發(fā)。而借助仿真的工具，則可以在功率模塊設計階段，非常快速地進行仿真，檢驗產(chǎn)品設計是否滿足設計指標，無需做出樣品和測試。若不滿產(chǎn)品設計指標，則快速修改設計，進行設計+仿真迭代，達到設計目標后再進行：購買材料、制作樣品、測試樣品。從而能夠提高設計的一次性通過率，顯著縮短產(chǎn)品研發(fā)周期、降低研發(fā)費用。

由于功率模塊的設計指標包含諸多方面，故功率模塊的仿真也是需要從不同方面進行評估。以往的論文往往是針對某一方面進行，針對功率模塊的系統(tǒng)級仿真較少，所以本文分析了功率模塊需要進行的仿真類型和要求，并以一典型的車規(guī)級功率模塊為例，演示功率模塊的系統(tǒng)級仿真。

1 功率模塊系統(tǒng)仿真的內(nèi)容

針對功率模塊設計指標的多方面性，在系統(tǒng)級仿真中與之對應的仿真類型如表1所示。

表1 功率模塊仿真類型

在熱仿真中，一般需要關(guān)注其熱阻、結(jié)溫一致性、溫度分布、壓降等表現(xiàn)。在寄生參數(shù)仿真上，一般會提出模塊DC+到DC-的寄生電感、DC到AC的寄生電阻等要求，如果需要分析寄生參數(shù)組成的話，還需要獲取模塊各部分的寄生參數(shù)。對于雙脈沖仿真，一般需要關(guān)注電壓電流變化率、電壓電流峰值、異常振蕩、開關(guān)損耗、芯片之間均勻性等方面。對于電流輸出能力要求，會拆分成應用電路的電流輸出能力要求，以及封裝的長期載流能力要求，前者主要針對包括封裝和芯片的模塊，評估其在實際應用電路中能否滿足提出的電流輸出能力要求，而后者主要針對封裝部分，評估其是否能長期承受要求的電流。絕緣耐壓仿真一般關(guān)注結(jié)構(gòu)和材料是否能滿足絕緣耐壓要求。對應壽命要求的可靠性仿真，一般需要根據(jù)一系列客戶工況條件、算法和標準，轉(zhuǎn)換成模塊的可靠性要求，從而進行可靠性仿真。EMI/EMC仿真則用于評估是否滿足制定的電磁兼容要求。工藝過程仿真通過模擬實際工藝過程，檢查設計的可制造性，指導工藝過程。

除了上述強調(diào)的系統(tǒng)級仿真需要全面覆蓋設計指標等需求，為了保證仿真結(jié)果可用于指導功率模塊的設計，系統(tǒng)級仿真還需要特別注意仿真的準確性，實現(xiàn)準確的定量評估產(chǎn)品性能。這需要從理論原理、仿真軟件、模型設置、材料屬性、測試方法等諸多方面進行研究，使用準確、合適、可靠的實測數(shù)據(jù)對仿真方法進行校準，合理地調(diào)整仿真方法，使得仿真結(jié)果的誤差較小，并且具備可重復性、普遍性，可推廣適用于校準之外的條件。

在仿真方法精度足夠高、仿真內(nèi)容充分覆蓋設計指標、風險項等內(nèi)容后，可以預見的是仿真可以非常有效評估功率模塊的設計，仿真評估后能達到設計指標和沒有明顯風險的設計，可以一次性通過樣品制作和后續(xù)測試，顯著縮短產(chǎn)品研發(fā)周期和費用。

2 功率模塊的系統(tǒng)級仿真示例

以一模塊為例，演示功率模塊的系統(tǒng)級仿真，包含熱仿真、寄生參數(shù)仿真、載流能力仿真、絕緣耐壓仿真、雙脈沖仿真、應用電路仿真和可靠性仿真。由于篇幅的限制，EMI/EMC和工藝過程仿真暫不演示。

■2.1 示例模塊

示例模塊采用新能源電動車較常見采用的Infineon HybridPackTM Drive封裝模塊，電路拓撲為三相全橋拓撲，如圖1所示。每單元中有4顆SiC Mosfet芯片并聯(lián)，芯片正面連接方式為鍵合鋁線，芯片下方連接方式采用銀燒結(jié)，為了簡化模型，省略底板的PinFin，底板背面為光板。主要材料和仿真所使用的材料屬性如表2所示。

圖1 實例模塊

表2 幾何模型和各層材料名稱與材料屬性

■2.2 熱仿真

為了簡化模型，熱仿真模型采用單相模型，選取V相，見圖2。由于模塊主要是向下傳熱，故忽略芯片上的鍵合線、硅凝膠、端子、外殼和蓋板等幾何體。發(fā)熱區(qū)域與結(jié)溫定義區(qū)域為芯片有源區(qū)幾何體，見圖3，黑色有源區(qū)幾何體內(nèi)部均勻發(fā)熱，單顆芯片發(fā)熱功率為144W，單顆芯片結(jié)溫定義為黑色有源區(qū)幾何體的體平均溫度，單元平均溫度定義為4顆芯片結(jié)溫的平均值。底板底部中心設置有對流換熱邊界條件，溫度65℃，對流換熱系數(shù)為20000W/（m2·℃），單元熱阻定義為：(4顆芯片結(jié)溫的平均值-65℃)/(144W×4)。材料屬性設置如表2所示。

圖2 熱仿真幾何模型示意圖

圖3 熱仿真邊界條件設置示意圖

溫度和熱阻等結(jié)果見表3，VH和VL單元熱阻分別為0.153和0.152℃/W，VH和VL單元內(nèi)結(jié)溫極差分別為7.18℃和8.13℃。VH3和VL2芯片結(jié)溫更高，主要原因為其四周的芯片數(shù)量最多，均為5顆，與其他芯片的熱耦合作用更加顯著，導致溫度更高。同理VH1和VL4芯片由于其周圍芯片數(shù)量最少（2顆），結(jié)溫更低。

表3 熱仿真結(jié)果—溫度和熱阻等信息

溫度云圖結(jié)果見圖4，高溫區(qū)域集中于芯片周圍，芯片之間的溫度分布明顯更高。由于整體芯片分布較為均勻，所以散熱利用的AMB面積比較充足，只有四角區(qū)域溫度較低。

圖4 熱仿真結(jié)果—溫度云圖

圖5 寄生參數(shù)仿真所采用的幾何模型

■2.3 寄生參數(shù)仿真

熱仿真模型采用單相模型，同樣選取V相，省略外殼、蓋板等幾何體。在各芯片與封裝的接口、端子、Pin針的接口均設置Source或者Sink，用于計算各部分的寄生參數(shù)，并用于后續(xù)的雙脈沖仿真和電路仿真。

各芯片回路的寄生參數(shù)結(jié)果見表4和表5。在各芯片的均勻性上，D極的寄生電阻和電感的差異較小，S極和G極的寄生電阻和電感差異較大。這是由于封裝設計導致，不同芯片的S極和G極的封裝路徑長短存在較大差異。模塊總回路的寄生參數(shù)仿真結(jié)果見表6。模塊DC+到DC-的1MHz下寄生電感為10.87nH，上下橋回路的寄生電感和電阻差異較小。

表4 0Hz下各芯片回路封裝寄生仿真電阻

表5 1MHz下各芯片回路封裝寄生電感仿真結(jié)果

表6 模塊總回路寄生參數(shù)仿真結(jié)果

除了某個頻率下的寄生參數(shù)結(jié)果，還可以輸出寄生參數(shù)的掃頻特性，以模塊DC+到DC-的寄生參數(shù)掃頻特性為例（圖6），隨著頻率增加，寄生電感先基本維持不變，隨后降低，在高頻區(qū)域寄生電感又趨近于某一值，不再減??；而寄生電阻在低頻范圍基本維持不變，隨著頻率增加，電阻顯著增大。

圖6 封裝DC+到DC—寄生參數(shù)掃頻特性

除了寄生參數(shù)數(shù)值之外，寄生參數(shù)仿真還可以提供電流云圖信息（見圖7），可以用于判斷是否存在電流密度集中的現(xiàn)象。

圖7 0Hz下體電流密度云圖（L—arm開通時）

■2.4 載流能力仿真

載流能力仿真是熱-電聯(lián)合仿真的一種，在熱仿真的基礎上考慮電流流過的焦耳熱，并且需要考慮溫度對焦耳熱的影響。根據(jù)仿真的溫度場和相應材料的耐溫數(shù)據(jù)，判斷封裝的載流能力。

載流能力仿真采用的幾何模型(圖8)與熱仿真相比，增加了功率端子、鍵合線等會流過大電流的結(jié)構(gòu)。在芯片發(fā)熱（單顆芯片功率144W）的同時，使得各個芯片流過100A電流，總回路流過400A電流，仿真流過功率端子、正面覆銅、鍵合線等結(jié)構(gòu)的焦耳熱，傳遞給熱仿真。

圖8 載流能力仿真幾何模型示意圖

整體溫度云圖結(jié)果見圖9，鍵合線的溫度較高，大部分溫度已經(jīng)超過174.24℃，功率端子的溫度整體較低，最高溫度118.14℃。圖10鍵合線的溫度云圖中，較長的鍵合線溫度較高，最高溫度高達340.25℃，已經(jīng)超過硅凝膠的耐溫極限，說明該模塊的載流能力不滿足400A直流。

圖9 載流能力仿真溫度云圖（總體）

圖10 載流能力仿真溫度云圖（鍵合線）

通過不斷降低總回路電流，使得鍵合線溫度降低至硅凝膠的耐溫極限，即可得到該模塊的最大直流載流能力。

■2.5 絕緣耐壓仿真

絕緣耐壓仿真屬于靜電場仿真的類型，通過仿真模塊的電場強度分布，結(jié)合材料的介電強度指標判斷是否發(fā)生介電擊穿。本次以模塊端子和底板之間需要承受4200V直流耐壓的要求為例，仿真端子到底板之間承受4200V時的電場強度分布。仿真模型如圖11所示，相對于載流能力仿真，增加外殼、硅凝膠。

圖11 絕緣耐壓仿真幾何模型示意圖

關(guān)鍵絕緣材料（外殼、硅凝膠、AMB陶瓷層）的電場強度仿真結(jié)果見圖12。為了判斷是否能承受4200V直流電壓，需要逐個檢查每個絕緣材料是否發(fā)生擊穿，即電場強度大于擊穿場強（介電強度）的區(qū)域是否貫穿整個絕緣體。

圖12 外殼、硅凝膠和AMB陶瓷層的總體電場強度云圖

在外殼區(qū)域的圖13中，電場強度大于擊穿場強（介電強度）的區(qū)域主要出現(xiàn)在底板與外殼固縮螺絲的周圍，但沒有貫穿外殼厚度，所以外殼沒有擊穿的風險。在AMB陶瓷層的圖14中，電場強度大于擊穿場強（介電強度）的區(qū)域出現(xiàn)在正面覆銅的邊緣，主要由于電場在尖端集中的現(xiàn)象。從側(cè)面視圖中看到?jīng)]有貫穿整個陶瓷厚度，所以陶瓷沒有擊穿的風險。在硅凝膠區(qū)域的圖15中，電場強度大于擊穿場強（介電強度）的區(qū)域同樣出現(xiàn)在正面覆銅的邊緣，同樣主要由于電場在尖端集中的現(xiàn)象。從俯視圖和側(cè)面圖看，危險區(qū)域的尺寸較小，沒有出現(xiàn)貫穿硅凝膠的情況，所以同樣沒有擊穿的風險。

圖13 外殼中電場強度大于3.5MV/m的區(qū)域（紅色區(qū)域）

圖14 AMB陶瓷中電場強度大于15MV/m的區(qū)域（紅色區(qū)域）

圖15 硅凝膠中電場強度大于11.5MV/m的區(qū)域（紅色區(qū)域）

綜合關(guān)鍵絕緣材料（外殼、硅凝膠、AMB陶瓷層）的電場強度云圖，可以判斷該模塊端子和底板之間可以承受4200V直流耐壓。

■2.6 雙脈沖仿真

雙脈沖仿真的電路組成如圖16所示，由封裝寄生參數(shù)（由Q3D導入）部分、封裝芯片、負載與母線部分、VDS&VDSR測量部分、被測與配測驅(qū)動部分共5部分組成。其中封裝寄生參數(shù)部分主要提供模塊封裝的寄生參數(shù)，實現(xiàn)雙脈沖仿真中考慮模塊封裝寄生參數(shù)的影響。封裝芯片部分則需要實現(xiàn)對所用芯片的準確建模，保證雙脈沖仿真波形能實現(xiàn)實際芯片的動態(tài)開關(guān)相應過程。具體仿真設置見表7。

圖16 雙脈沖仿真電路示意圖

表7 雙脈沖仿真設置

波形結(jié)果見圖17和圖18，可以看到整體波形較為平滑，沒有異常的振蕩等現(xiàn)象。各芯片的電壓電流仿真波形見圖19和圖20。在圖20開通波形中，各芯片的電流ID在開通的第一個上升峰階段有明顯差異，芯片3&4的ID明顯大于芯片1&2，特別是在峰值附近；各芯片的VDS波形基本一致；各芯片的VDSR波形在上升時存在小幅振蕩，并且不同芯片振蕩波形存在差異；各芯片的VGS波形在芯片ID差別較大的區(qū)間內(nèi)也存在小幅振蕩，并且，并且芯片1、2與芯片3、4振蕩出現(xiàn)相反的情況。在圖19關(guān)斷波形中，各芯片的VDS和VDSR波形基本一致；ID波形在關(guān)斷期間存在小幅差異，芯片3&4的ID小于芯片1&2，與開通趨勢相反；各芯片的VGS波形在芯片ID出現(xiàn)差異時存在小幅振蕩現(xiàn)象，并且芯片1、2與芯片3、4振蕩波形出現(xiàn)相反的情況。

圖17 雙脈沖仿真結(jié)果—第一次關(guān)斷總電壓電流波形

圖18 雙脈沖仿真結(jié)果—第二次開通總電壓電流波形

圖19 雙脈沖仿真結(jié)果—第一次關(guān)斷各芯片電壓電流波形

圖20 雙脈沖仿真結(jié)果—第二次開通各芯片電壓電流波形

■2.7 應用電路仿真

應用仿真的電路組成如圖21所示，由母線電路與負載電路、熱模型、封裝及芯片、驅(qū)動電路共4部分組成，其中熱模型、封裝及芯片部分以U相為例，完整仿真模型還包括V和W相。

圖21 應用電路仿真電路示意圖

仿真中采用負載電阻和負載電感等效電機負載，PWM調(diào)制，開關(guān)頻率為6kHz，輸出電流頻率為50Hz，輸出電流交流有效值為91.2A，母線電壓400V。

U、V、W三相負載電流如圖22所示，V相各芯片結(jié)溫如圖23所示，可以看到由于封裝的差異導致并聯(lián)芯片的結(jié)溫也存在著明顯差異。

圖22 U、V、W三相負載電流

圖23 V相各芯片結(jié)溫隨時間變化

■2.8 可靠性仿真—功率循環(huán)仿真

可靠性仿真包含較多的內(nèi)容：例如功率循環(huán)、溫度循環(huán)、高低溫存儲等，由于篇幅的原因以功率循環(huán)為例。功率循環(huán)可靠性仿真所使用的幾何模型如圖24所示，從全橋模塊截取單顆芯片的部分，包含鍵合線、芯片、Sinter、AMB、AMB Solder和Baseplate。模擬的功率循環(huán)條件為：開通2s，關(guān)斷2s，周期4s，總時間30s。在芯片的發(fā)熱區(qū)域設置發(fā)熱功率，發(fā)熱功率隨時間的變化如圖25所示，開通時發(fā)熱功率為121.5W，關(guān)斷時發(fā)熱功率為0W。散熱條件為對流換熱系數(shù)：20000W/(m·K)，溫度65℃。無熱應力溫度為22℃。

圖24 功率循環(huán)可靠性仿真所使用的幾何模型和邊界條件

圖25 功率循環(huán)可靠性仿真中發(fā)熱功率隨時間的變化

仿真模型整體最高溫度隨時間的變化如圖26所示，最高為175.01℃，位置出現(xiàn)在芯片中心，時間為第三個周期及以后的停止加熱時刻。最低為74.835℃，位置出現(xiàn)在模型角落，時間出現(xiàn)在第三個周期及以后的開始加熱時刻。從圖27溫度云圖中，最高溫度時刻下，高溫區(qū)域出現(xiàn)在芯片中心以及芯片中心區(qū)域的鍵合線，從芯片向外溫度逐漸降低。最低溫度時刻下，整體溫度較低。

圖26 整體最高溫度隨時間的變化

圖27 最后一個周期最高溫度時刻與最低溫度時刻整體溫度云圖

在圖28整體變形云圖中，最高溫時刻下，變形較大的位置出現(xiàn)在線弧頂部區(qū)域，并且跨度大的線弧頂部變形量大于跨度較小的線弧，最大變形量為18.5μm。最低溫度時刻下，仍然存在變形，這是由于仿真中無熱應力溫度為22℃，最低溫度時刻下整體溫度為72.9～74.9℃之間，高于無熱應力溫度，所以仍然會存在變形。最高變形的位置與高溫時刻一致，均出現(xiàn)在線弧頂部，最大變形量為8.76μm。

圖28 最后一個周期最高溫度時刻與最低溫度時刻整體變形云圖

由于在功率循環(huán)中，最先出現(xiàn)失效的往往是鍵合線，所以接下來進一步分析鍵合線的力學結(jié)果。在圖29的鍵合線等效應力云圖中，最大等效應力出現(xiàn)在芯片上的Bond點邊緣上，并且高溫和低溫下的數(shù)值相近。在線弧上，高溫和低溫下的等效應力存在明顯差異，高溫時刻等效應力大于低溫時刻。在圖30中，累計等效塑性應變主要出現(xiàn)芯片的Bond點上， AMB上的Bond點的累計等效塑性應變幾乎為0。

圖30 最后一個周期最高溫度時刻與最低溫度時刻鍵合線累計等效塑性應變云圖

對比Bond點在循環(huán)中平均溫度隨時間的變化（圖32），所有Bond點中，芯片上的Bond點（第一和第二Bond點）最高溫度明顯高于AMB上Bond點，并且Source極鍵合線Bond點的最高溫度比柵極鍵合線Bond點更高。在Source極鍵合線Bond點中，從高溫到低溫的鍵合線順序為：S2→S3→S1→S4(命名規(guī)則見圖31)。

圖31 鍵合線Bond點命名規(guī)則

圖32 不同鍵合線Bond點面平均溫度隨時間變化

圖33 不同鍵合線Bond點平均累計等效塑性應變隨時間變化

對比Bond點在循環(huán)中平均累計等效塑性應變隨時間的變化，在芯片上的Source極Bond點中，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，累計等效塑性應變隨之快速增加，而芯片上的Gate極Bond點，從第三個周期開始，增長的速率明顯放緩。而在AMB上的第三Bond點，循環(huán)開始時，累計等效塑性應變快速增加，但是一定的循環(huán)次數(shù)后，累計等效塑性應變基本不變。在Bond點之間的比較中，累計等效塑性應變的趨勢與溫度基本一致。從圖34的Bond點最后三個周期平均累計等效塑性應變增加值與周期內(nèi)平均溫度最大值與最小值極差之間的關(guān)系中，可以看到Bond點之間的累計等效塑性應變增加值的大小趨勢，與其平均溫度最大值與最小值極差的趨勢基本一致，溫度極差越大，累計等效塑性應變增長越快。

圖34 Bond點最后三個周期平均累計等效塑性應變增加值與周期內(nèi)平均溫度最大值與最小值極差之間的關(guān)系

3 結(jié)語

本文主要介紹了功率模塊系統(tǒng)仿真包含的內(nèi)容：熱仿真、寄生參數(shù)仿真、雙脈沖仿真、載流能力仿真、應用電路仿真、絕緣耐壓仿真、可靠性仿真、EMI/EMC仿真、工藝過程仿真等方面；強調(diào)系統(tǒng)級仿真需要不斷提高其覆蓋范圍和準確性；以一功率模塊（4顆芯片并聯(lián)，三項六單元）為例，簡單演示了功率模塊系統(tǒng)仿真的效果，包括熱仿真、寄生參數(shù)仿真、載流能力仿真、絕緣耐壓仿真、雙脈沖仿真、應用電路仿真和可靠性仿真，并對各個仿真結(jié)果進行了簡單分析。