功率模塊的系統(tǒng)級仿真

王詠，閆鵬修，許杰文，李亮亮，朱賢龍

（廣東芯聚能半導(dǎo)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(dǎo)體材料SiC的應(yīng)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(shè)計和仿真提出了更高的要求。

在功率模塊的設(shè)計中，需要關(guān)注多個方面的性能表現(xiàn)，以更好地滿足應(yīng)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(yīng)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(shè)計是否能滿足設(shè)計指標(biāo)，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(dá)不到設(shè)計指標(biāo)，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(shè)計階段，非?？焖俚剡M(jìn)行仿真，檢驗產(chǎn)品設(shè)計是否滿足設(shè)計指標(biāo)，無需做出樣品和測試。若不滿產(chǎn)品設(shè)計指標(biāo)，則快速修改設(shè)計，進(jìn)行設(shè)計+仿真迭代，達(dá)到設(shè)計目標(biāo)后再進(jìn)行：購買材料、制作樣品、測試樣品。從而能夠提高設(shè)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(shè)計指標(biāo)包含諸多方面，故功率模塊的仿真也是需要從不同方面進(jìn)行評估。以往的論文往往是針對某一方面進(jìn)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(jìn)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(shè)計指標(biāo)的多方面性，在系統(tǒng)級仿真中與之對應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)，轉(zhuǎn)換成模塊的可靠性要求，從而進(jìn)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(shè)計的可制造性，指導(dǎo)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(shè)計指標(biāo)等需求，為了保證仿真結(jié)果可用于指導(dǎo)功率模塊的設(shè)計，系統(tǒng)級仿真還需要特別注意仿真的準(zhǔn)確性，實現(xiàn)準(zhǔn)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(shè)置、材料屬性、測試方法等諸多方面進(jìn)行研究，使用準(zhǔn)確、合適、可靠的實測數(shù)據(jù)對仿真方法進(jìn)行校準(zhǔn)，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(fù)性、普遍性，可推廣適用于校準(zhǔn)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(shè)計指標(biāo)、風(fēng)險項等內(nèi)容后，可以預(yù)見的是仿真可以非常有效評估功率模塊的設(shè)計，仿真評估后能達(dá)到設(shè)計指標(biāo)和沒有明顯風(fēng)險的設(shè)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(yīng)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?fù)錇槿嗳珮蛲負(fù)?，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(shè)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(shè)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(shè)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(dǎo)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(shè)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(shè)計導(dǎo)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(chǔ)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(yīng)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(dá)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(biāo)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(fēng)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(fēng)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(fēng)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(dǎo)入）部分、封裝芯片、負(fù)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(zhǔn)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(yīng)過程。具體仿真設(shè)置見表7。

圖16 雙脈沖仿真電路示意圖

表7 雙脈沖仿真設(shè)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(yīng)用電路仿真

應(yīng)用仿真的電路組成如圖21所示，由母線電路與負(fù)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(yīng)用電路仿真電路示意圖

仿真中采用負(fù)載電阻和負(fù)載電感等效電機負(fù)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(fù)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(dǎo)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(fù)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(shè)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(jìn)一步分析鍵合線的力學(xué)結(jié)果。在圖29的鍵合線等效應(yīng)力云圖中，最大等效應(yīng)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(yīng)力存在明顯差異，高溫時刻等效應(yīng)力大于低溫時刻。在圖30中，累計等效塑性應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)變隨時間變化

對比Bond點在循環(huán)中平均累計等效塑性應(yīng)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(yīng)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(yīng)變快速增加，但是一定的循環(huán)次數(shù)后，累計等效塑性應(yīng)變基本不變。在Bond點之間的比較中，累計等效塑性應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)變增長越快。

圖34 Bond點最后三個周期平均累計等效塑性應(yīng)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(yīng)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(zhǔn)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(yīng)用電路仿真和可靠性仿真，并對各個仿真結(jié)果進(jìn)行了簡單分析。