如何提升车规级功率半导体热性能可靠性？

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来源：碳化硅SiC半导体材料

在当今的汽车工业中，车规级功率半导体的使用越来越广泛，它在汽车电子控制系统中扮演着非常重要的角色。然而，由于功率密度较高，车规级功率半导体在工作过程中会产生大量的热量，如果热量无法得到有效的处理，会导致功率半导体器件的性能下降，从而影响汽车的性能和安全。同时，产品迭代速度加快的需求使得留给工程师的设计周期越来越短，对散热设计提出严峻挑战。因此，越来越多企业采用热仿真和热测试这两种有效的手段来降低成本、加速研发，提升功率器件的热性能可靠性。

01 热仿真

热仿真软件，例如Simcenter Flotherm Flexx、Simcenter FloEFD等，可以帮助工程师更好地理解车规级功率半导体器件的热管理问题。通过热仿真，我们可以得到功率半导体器件在不同工作条件下的温度分布情况，从而为设计师提供设计参考。热仿真还可以帮助我们优化功率半导体器件的散热方案，以确保其在工作过程中能够有效地散热，避免温度过高，从而提高汽车的性能和安全性。

Simcenter Flotherm Flexx:专业的电子散热仿真软件

Simcenter Flotherm Flexx是Flotherm产品和Flotherm XT产品的组合。

作为一款专门针对电子器件/设备热设计而开发的仿真软件，FloTHERM可以实现从元器件级、PCB板和模块级、系统整机级到环境级的热分析。FloTHERM软件自1989 年推出以来就一直居于市场主要地位（市场占有率高达70%）并主导着该行业的技术发展。

FloTHERMxt是西门子工业软件旗下专业的电子散热仿真软件，能覆盖从元件级、板级、系统级到环境级的全尺度热仿真分析。FloTHERMxt在继承了FloTHERM专业电子行业数据库等优势的基础上，极大增强了对于复杂曲面、不规则模型的几何处理能力，使之成为业内广泛使用的专业热仿真工具。

Simcenter FloEFD: 嵌入CAD环境的工程化流体及传热分析软件

FloEFD是西门子工业软件旗下，无缝嵌入主流三维CAD软件中的高度工程化面向全行业的通用CFD流体传热分析软件。FloEFD起源于1980年代的苏联航空航天工业，由莫斯科物理技术学院（MIPT）的专家开发，求解器算法结合了经典数值分析模型和特殊的工程经验，在不牺牲准确度的前提下提供快速和便捷的求解方案。

FloEFD完全支持直接导入Creo, CATIA V5, Solidworks, NX等所有主流三维CAD模型, 并可以导入Parasolid, IGES, STEP, STL,等格式的模型文件。

# Simcenter仿真软件在车规级功率器件的典型应用

具备专门针对电动汽车的专业组合功能模块 Electrical Vehicle Module

• Electronics Cooling 电子散热模块

• Power Electrification 动力电池模块

• EMAG 电磁仿真模块

• Structural 结构力学仿真模块

车规HPD模块功率循环瞬态仿真（秒级）

车规平底模块功率循环瞬态仿真

车规IGBT模块热-结构耦合仿真

02 热测试

通过热测试硬件，例如Simcenter POWERTESTER、T3STER等，可以帮助研究人员进行器件温度测量和分析，获得准确而丰富的热特性数据，可靠性数据等，准确地准确评估功率器件的热特性和散热能力，及时有效地为产品研发和改进提供数据支撑。对器件进行热测试，将有效地提高产品质量，大幅度缩短测试时间，加速产品研发进程。

Simcenter POWERTESTER: 功率循环及热测试平台

Simcenter POWERTESTER具备先进的测试理念：同一个测试平台可以同时进行功率循环和热测试，任何与老化降级相关的热效应都可以在不移动待测器件的情况下通过结构函数在线监测，与传统的老练设备相比更加节省时间，能获得完整的失效数据。测试范围广，可测试MOSFET, IGBT以及二极管等器见。Simcenter POWERTESTER可预估器件寿命，帮助用户获得功率电子器件在真实应用条件下的使用寿命。

# Simcenter POWERTESTER在车规级功率器件热测试的典型应用

电动汽车用IGBT寿命预估：

寿命预估流程, 测试寿命曲线中的数据点并估算寿命

Simcenter T3STER:半导体热特性热测试仪

T3STER：热瞬态测试仪，是半导体热特性热测试仪器，可用于测试半导体分立器件及模块的结温、稳态热阻、瞬态热阻，同时可用于测试IC、SoC、SIP、 散热器、热管等的热特性。T3STER兼具JESD51-1定义的静态测试法（Static Mode）与动态测试法（Dynamic Mode），能够实时采集器件 瞬态温度响应曲线（包括升温曲线与降温曲线），瞬态采样时间分辨率高达1微秒，测试延迟时间高达1微 秒，结温分辨率高达0.006℃。

# Simcenter T3Ster典型应用：利用T3Ster研究MOSFET器件

英飞凌利用T3Ster,按照JESD51-14测试其MOSFET器件的结壳热阻

产品型号：SPP80N06S2L-11 TO 封装

测试结果:

器件在两种不同的散热环境下结温随着时间的变化曲线

器件在两种不同的散热环境下的微分结构函数

英飞凌是T3Ster的战略合作伙伴，共同制定了全新的结壳热阻测试标准JESD51-14。通过T3Ster，不仅可以测试器件的结壳热阻，还可以通过结构函数分析器件热流传导路径上各层结构的热阻值。

热仿真与热测试相结合

Simcenter Flotherm Flexx / FLOEFD 导入瞬态热阻测试仪T3Ster的测试数据，通过对Structure Fuction结构函数曲线的对比拟合，可以精确地校准初始仿真模型。

经过校准的器件热模型，不仅结构尺寸信息准确，同时也能更加精确的描述器件的瞬态热特性。

校准流程

结论

车规级功率半导体作为汽车研发的核心器件，其热性能可靠性是产品设计的关注重点之一。针对不同的研发场景，运用合适的仿真及测试方法和工具，可以帮助工程师们优化设计，以更短的时间、更低的成本设计出具备良好热性能又满足其他设计要求的产品。如果您想了解以上产品和具体解决方案，请与我们联系。

关于坤道

上海坤道成立于2009年，前身为英国Flomerics公司中国代表处。一直以来，坤道专注于热仿真和热测试领域，为电子半导体、汽车、航天航空等行业提供Simcenter FloEFD/Flotherm Flexx/Flomaster等流体传热仿真软件解决方案和Simcenter T3STER热阻测试、Simcenter POWERTESTER功率循环测试、SanjSCOPETM 热反射率成像系统等硬件解决方案，具备资深专业、经验丰富的技术团队提供产品销售、项目咨询和技术培训服务。目前，公司已为400多家企业与机构提供热仿真热测试解决方案和应用实践落地。

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