[發明專利]一種功率模塊綁定線布局優化設計方法

在審

• 申請號: 202110943710.8
• 申請日: 2021-08-17
• 公開（公告）號: CN113536600A
• 公開（公告）日: 2021-10-22
• 發明（設計）人: 羅皓澤;陳宇;吳強;李武華;何湘寧;夏原野;尹芹芹;吳建興
• 申請（專利權）人: 浙江大學;杭州士蘭微電子股份有限公司
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F30/28;G06F113/08;G06F119/06;G06F119/08;G06F119/14
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 鄭海峰

本發明公開了一種功率模塊綁定線布局優化設計方法，包括以下步驟：S1、基于布局方式將芯片劃分為多元胞，將綁定線劃分為多線弧；S2、提取線弧電阻與芯片金屬層電阻；S3、建立元胞電壓?電流?溫度模型，提取元胞等效電阻；S4、建立三維多元胞電網絡，獲得元胞電流、線弧電流與節點電壓；S5、計算線弧發熱功率與元胞發熱功率；S6、得到計及綁定線發熱的芯片溫度場；S7、更新元胞等效電阻與節點電壓，判斷收斂，否則重復S3?S6；S8、以芯片最高溫度和平均溫度為評價指標，尋求綁定線布局最佳設計參數。本發明有效提高了綁定線設計迭代速度，特別適合模塊封裝的前期設計驗證；所提疊層式布局優化方案可在不增加元件和材料消耗的情況下抑制芯片熱應力。

技術領域

本發明屬于電力電子器件領域，具體涉及一種功率模塊綁定線熱效應快速評估與布局優化設計方法。

背景技術

功率模塊是高功率應用場合的主流器件，包括電動汽車電機驅動器、可再生能源逆變器和固態變壓器等。功率模塊中的功率半導體芯片表面的發射極焊盤通過楔焊鍵合連接到襯板。然而，綁定線所需傳輸的電流與芯片電流相同，導致綁定線受到嚴重的熱-機械應力，特別是在鍵合位置。當最薄弱的鍵合處被剝離，其余綁定線傳導更高的電流，最終導致功率模塊發生連續性故障。因此，如何抑制綁定線的熱-機械應力，提高綁定落點的可靠性水平成為功率模塊設計的迫切問題。

目前，抑制綁定落點熱-機械應力的手段分為三個方面：綁定線材料、綁定線結構和綁定線布局。綁定線材料相關的方法是用接近硅的熱膨脹系數(CTE)值的材料代替鋁(Al)線，以銅(Cu)、鋁包銅和新型鋁合金為代表。綁定線結構相關的方法側重于重塑連接部件或插入外部組件，以直接引線鍵合(DLB)、柔性電路板燒結、鉬基應變緩沖焊接和倒裝芯片鍵合為代表。然而，上述方法需要昂貴的制備和復雜的電鍍工藝，在應用中并不實用。

為了有效緩解綁定落點的熱應力，多樣化的綁定線布局方式被用于降低芯片溫度。并排式、交錯式及疊層式等布局類型廣泛應用于大面積芯片中，這些方案通過調節芯片電流分布，降低芯片金屬層中落點周圍的電流密度，從而實現芯片熱應力的抑制。

然而，隨著芯片額定電流的不斷增加，綁定線輸運電流隨之增加，由此引起的歐姆自熱效應不容忽視。同時，芯片大尺寸化引起的綁定線落點數量增加，導致綁定線上的電流密度呈現非均勻分布，為芯片帶來非均勻自熱。這種非均勻自熱效應會導致芯片局部過熱，從而加速綁定落點的退化。因此，多落點綁定線電熱耦合機理的解析建模有利于揭示芯片溫度形成機制，功率模塊綁定線熱效應的快速評估有利于綁定布局的更新迭代和優化設計，為提升多落點綁定線的熱應力抑制潛能發揮關鍵作用。

發明內容

為了克服現有技術的不足，本發明提出了一種新型功率模塊綁定線布局方案，可以在不增加任何元件和材料消耗的情況下進一步實現熱應力抑制，從而提高功率模塊的可靠性。本發明通過建立能反映綁定布局的三維多元胞電網絡，結合能描述芯片二維溫度分布的傅里葉級數熱模型，實現了多落點綁定線的電熱耦合建模與計算，可用于功率模塊綁定線熱效應的快速評估，有望發展成為功率模塊綁定線布局設計的指導方針和設計準則。

本發明的具體方案如下：

本發明提出一種功率模塊綁定線熱效應快速評估與布局優化設計方法，具體包括以下步驟：

S1、基于功率模塊綁定線所采用的并排式、交錯式或疊層式布局類型與綁定落點以及綁定線根數，將功率半導體芯片劃分為多元胞結構，將功率綁定線劃分為多線弧結構；

S2、由綁定線弧高、起弧角度、線徑與芯片寬度確認線弧電阻，由芯片金屬層寬度、厚度與芯片長度確認芯片水平金屬層電阻；

S3、由功率半導體芯片的摻雜濃度、幾何尺寸和溫度敏感參數，建立與綁定線解耦的元胞電壓-電流-溫度物理模型，利用正溫度特性區元胞電壓對電流的導數的溫度線性化特征，提取元胞的溫度依賴性等效電阻；