基于ANSYS的IGBT热模拟与分析.pdf

第41卷第1期微电子学Vol.41,No.1
2011年2月MicroelectronicsFeb.2011

半导体器件与工艺
基于ANSYS的IGBT热模拟与分析

张健,吕长志,张小玲,谢雪松,黄月强
(北京工业大学电子信息与控制工程学院,北京100124)

摘要:根据IGBT的基本结构和工作原理,建立了一种新的IGBT三维热模型。运用基于有限
元法的分析软件ANSYS,对功率分别为0.5W、1.0W、1.5W、2.0W条件下的器件热分布进行模
拟分析。结果表明,热耦合加剧了器件的自升温,且功率越大,影响越明显。另外,考虑了热导率随
温度变化情况下的器件热模拟结果显示:在相同的功率(1W)条件下,器件最高温升高4.8K。由
模拟结果得到的热阻与红外实测结果基本一致。
关键词:IGBT;热模型;热耦合;自升温
中图分类号:TN322+8文献标识码:A文章编号:10043365(2011)01013904

ThermalSimulationandAnalysisofIGBTBasedonANSYS

ZHANGJian,LChangzhi,ZHANGXiaoling,XIEXuesong,HUANGYueqiang
(SchoolofElectronicInformationandControlEngineering,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,P.R.China)

Abstract:AnovelIGBT3Dthermalmodelwasestablishedbasedonthebasicstructureandoperationalprincipleof
IGBT.ThermalprofileofthedeviceatdifferentpowerswassimulatedandanalyzedusingFEMbasedanalyticalsoftware
ANSYS.Simulationresultsshowedthatthermalcouplingaggravatedselfheatingofthedevice,andthegreaterthepower
was,themoreserioustheimpactofthermalcouplingbecame.Simulationwithtemperaturedependentthermalconductivity
ofSitakenintoaccountindicatedthepeaktemperatureofthedeviceroseby4.8Katthesamepower(1W).Thermal
resistanceobtainedbysimulationwereconsistentwithvaluesmeasuredbyinfraredmicroscopy.
Keywords:IGBT;Thermalmodel;Thermalcoupling;Selfheating
EEACC:2560J

为其芯片下表面温度假定为零,对实际应用的指导
1引言有一定的限制。高光渤改进了Robert研究中的不
足[3],但是对多个有源区的计算过于复杂,不利于温
绝缘栅双极晶体管(IGBT)集MOSFET的栅度分布模型的建立。本文基于IGBT的基本结构和
极电压控制特性和BJT的低导通电阻特性于一身,工作原理,建立了IGBT的三维立体热模型;运用
具有输入阻抗大、驱动功率小、开关损耗低以及工作ANSYS软件,分别在不同的功率以及考虑热导率
频率高等特点,是近乎理想的半导体大功率开关器随温度变化的情况下对其进行热模拟和仿真,得到
件,有着广阔的发展和应用前景[1]。对于大功率器器件的热分布及热耦合的仿真结果。
件,在其正常工作时,大功率损耗造成的自升温是影
响其稳定性的主要因素之一。因此,有必要对IGBT2热源及其热模型
这种大功率器件进行热分析,但国内外对这方面的
研究较少。为了确定IGBT正常工作时的主要热源,需要
Robert等人研究了大功率器件的热分布[2],因分析其导通机理。

收稿日期:20100430;定稿日期:20100727
140张健等:基于ANSYS的IGBT热模拟与分析2011年

导通过程如图1所示,当栅极相对阴极加足够150m厚的铜热沉,50m厚的PbSn合金,4m
的正向电压使其大于阈值电压时,栅下P阱表面形厚的背层金属,70m厚的硅层,最上层是5m厚
成反型,在器件的源漏之间形成电流通路。电子由的铝金属层。垂直方向的导电沟道,即热源,简化为
N+源区经沟道流到漏极,并垂直地流入N外延区4m4m70m的长方体单元。实际IGBT