Исследование температурного поля и оптимизация топологии электрических соединений с целью улучшения показателей миниатюризации силовой интегральной схемы

Аннотация

Исследованы тепловые поля и распределенные паразитные элементы в структуре силовой интегральной схемы. При расчете трехмерного температурного поля предполагалось, что тепловыделяющие элементы интегральной схемы (кремниевые кристаллы) расположены на поверхности керамической платы в узлах квадратной решетки заданного размера. В процессе моделирования использовались различные вариации геометрических параметров кристаллов, слоев металлизации и шага решетки моделируемого теплового поля. Расчет распределения температуры в конструкции модуля вдоль вертикальной оси, проходящей через центр полупроводникового кристалла, показал, что основной перепад температуры между кристаллом и средой приходится на слои керамический платы и теплопроводящей пасты между базовым основанием модуля и охладителем. Анализ распределения температуры по поверхности кристалла подтвердил, что в периферийных областях кристалла температура существенно меньше, чем в центре. Площадь этих относительно холодных областей составляет около половины от общей площади кристалла. Установлено, что при конструировании модуля максимальный период элементарной ячейки может быть ограничен на уровне двукратного линейного размера кристалла. На основе проведенных расчетов определено оптимальное позиционирование полупроводниковых кристаллов на поверхности керамической платы силового модуля и топология их электрических соединений. Установлено, что оптимальное позиционирование кристаллов при минимизации температурного перегрева не соответствует оптимальному позиционированию с точки зрения паразитных элементов конструкции. По этой причине были взяты весовые коэффициенты, учитывающие доминирующее влияние того или иного фактора. Показано, что с ростом коммутируемой мощности целесообразно размещение полупроводниковых кристаллов на отдельных керамических платах.