(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210845325.4 (22)申请日 2022.07.19 (71)申请人 湖南大学 地址 410083 湖南省长 沙市岳麓区麓山 南 路28号 申请人 长沙半导体技 术与应用创新研究院 (72)发明人 杨鑫　衡可　武新龙　欧阳晓平 　 (74)专利代理 机构 长沙正奇专利事务所有限责 任公司 431 13 专利代理师 马强　刘冬 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) G06F 30/20(2020.01) G06F 119/08(2020.01) (54)发明名称 热阻抗模 型建模及结温估计方法、 计算机设 备及存储介质 (57)摘要 本发明提供一种热阻抗模型建模及结温估 计方法、 计算机设备及存储介质。 功率模块热阻 抗模型建模 方法包括： 建立功率模块的有限元热 仿真模型； 根据有限元热仿真模 型的仿真结果得 到HA×PA个第一求和值； 在oxyz坐标系中得到HA ×PA个坐标点， 从而得到三维曲面； 将三维曲面 映射到o1x1y1坐标系中， 得到第一映射结果， 且 形成第NA条连线； 在将第一虚拟线段划分得到的 第n个子线段上取第n个特征坐标点； 建立功率模 块的热阻抗模型。 权利要求书5页 说明书21页 附图11页 CN 115186556 A 2022.10.14 CN 115186556 A 1.一种功率模块热阻抗模型建模方法， 其特征在于： 所述功率模块热阻抗模型建模方 法包括如下步骤： 步骤1： 根据功率模块的7层封装结构的材料和尺寸参数， 建立功率模块的有限元热仿 真模型， 其中， 所述7层封装 结构的第1层结构、 第2层结构、 ……、 第7层结构分别为芯片所在 层、 芯片焊料层、 上铜层、 陶瓷层、 下铜层、 衬底焊料层、 基板层； 步骤2： 令HA个值htc(1)、 htc(2)、 ……、 htc(HA)中的一个值与PA个值PLoss(1)、 PLoss (2)、……、 PLoss(PA)中的一个值 组成一组参数， 从而得到HA ×PA组参数， 所述HA个值是从功 率模块底端对流散热系数的预设范围[htc(1),htc(HA)]内选取的数值依次增大的值， 所述 PA个值是从芯片的功率损耗的预设范围[PLoss(1),PLoss(PA)]内选取的数值依次增大的值， HA、 PA均为预设值； 将所述HA ×PA组参数分别施加到有限元热仿真模型中， 且将环境温度设定值作为有限 元热仿真模型中施加的环境温度， 根据有限元热仿真模型的仿真结果以及Ki,TA的值， 得到 HA×PA个第一 求和值Rjc(1)、 Rjc(2)、……、 Rjc(HA×PA)， 其中 其中， m＝1,2, …,HA×PA， K1,TA、 K2,TA、……、 K7,TA分别表示与第一设定温度TA对应的第1 层结构、 第2层结构、 ……、 第7层结构的材料的热导率， d1、 d2、……、 d7分别为第1层结构、 第2 层结构、……第7层结构的厚度； T1m、 T2m分别为将第m组参数施加到有限元热仿真模型后得 到的第1层结构、 第2层结构的设定测量位置的温度， 各层结构的设定测量位置均位于与功 率模块高度方向平行的第一直线上， K(T1m)表示与温度为T1m对应的、 第1层结构的材料热导 率,Asolder1为第2层结构上表面面积， PLoss(m)为第m组参数中的芯片的功率损耗， qm(i,z)为将 第m组参数施加到有限元热仿真模型得到的、 第i层结构 中与第i层结构上端面在高度方向 距离为z、 且位于第一 直线上的位置的热流密度； 步骤3： 建立oxyz坐标系， x轴表示功率模块底端的对流散热系数， y轴表示芯片的功率 损耗， z轴表示第一求和值， 根据HA ×PA组参数、 与HA ×PA组参数分别对应的HA ×PA个第一 求和值， 在oxyz坐标系中得到 HA×PA个坐标点； 步骤4： 利用插值法， 根据所述HA ×PA个坐标点在oxyz坐标系中得到三维曲面； 步骤5： 将oxyz坐标系中的三维曲面映射到o1x1y1坐标系中， 得到第一映射结果， 其 中， x 轴坐标、 y轴坐 标与x1轴坐标、 y1轴坐标分别对应， z轴坐 标对应于o1x1y1坐标系中坐 标点的特 征值； 在o1x1y1坐标系中， 将第一映射结果中特征值等于Rjc,1的点相连形 成第1条连线， 将第一 映射结果中特征值等于Rjc,2的点相连形成第2条连线， ……， 将第一映射结果中特征值等于 Rjc,NA的点相连形成第NA条连线， 从而得到NA条连线； NA 个第一设定值Rjc,1、 Rjc,2、……、 Rjc,NA 等距且数值依次增大； 根据与第一虚拟线段有交点的NA条连线中的各个连线， 将第一虚拟线段划分为N个子 线段， 2≤N≤10； N为预设值， NA的取值由N的取值确定， 所述NA个第一设定值的取值根据NA 的取值以及所述HA ×PA个第一求和值所在的数值范围确定； N个子线段的长度之和为第一 虚拟线段的长度； 所述第一虚拟线段的第一端点(FA)、 第二端点(FD)在x1轴上的坐标均为权　利　要　求　书 1/5 页 2 CN 115186556 A 2PLoss(P1)， 在y1轴上的坐标分别为htc(1)、 htc(HA)； PLoss(P1)为芯片的额定功率， PLoss(P1) ≤PLoss(PA)； 步骤6： 建立所述功率模块的热阻抗模型； 所述热阻抗模型具有第一节点(TU)、 用于表 示芯片的实际功率损耗的第一元件(PU)、 N个结构相同且相互并联的传热支路； 所述第一节 点(TU)的温度值 为功率模块底端的实测温度； 所述第一元件(PU)一端与热沉连接； 所述热阻抗模型具有N个连接状态； 当实际的功率模块底端对流散热系数位于第 n个对 流散热系数子范围时， 所述热阻抗模型处于第n个连接状态， 且所述第一元件(PU)另一端、 第一节点(T U)分别对应与第n个传热支路两端连接， 从而形成Cauer传热网络结构； 第n个传热支路中与第i层结构对应的热阻元件的靠近第一元件(PU)的节点的温度为 待确定的第i层结构的设定测量位置的温度； 第n个对流散热系数子范围的上限、 下限分别 为第n个子线段的远离x1坐标轴的端点、 靠 近x1坐标轴的端点对应的对流散热系数； 其中， 第n个传热支路中与第i层结构对应的热阻元件的热阻Ri,n、 与第i层结构对应的 热容元件的热容Ci,n的表达式如下： 其中， di为第i层结构的厚度， Ki,n为第n个传热支路中与第i层结构的材料对应的热导 率， ci,n第n个传热支路中与第 i层结构的材料对应的比热容； qi,n,z是通过将PLoss,n、 htcn、 第 二设定温度TB施加到步骤1建立的有限元热仿真模型后得到的第i层结构的设定测量位置 的热流密度， 第二设定温度TB为施加的环境温度， PLoss,n、 htcn分别为与第n个特征坐标点对 应的对流散热系数、 芯片的功率损耗， Asolder1为第2层结构上表面面积， 各个特征坐标点均 为o1x1y1坐标系中的坐标点； 其中， 第n个特征坐标点位于第n个子线段上， 且第n个特征坐标点在 y1轴上的坐标值与 第n个子线段的靠近x1轴的端点在 y1轴上的坐标值之间差值的取值范围为[30％ ×Ln,70％ ×Ln]， Ln为第n个子线段两个端点在y1轴上坐标值的差值的绝对值， n ＝1,2,……,N； T'(1)n、 T'(2)n分别为与第n个传热支路对应的待确定的第1层结构的设定测量位置的 温度T1、 待确定的第2层结构的设定测量位置的温度T2， 或T'(1)n、 T'(2)n是通过将PLoss,n、 htcn、 第二设定温度TB施加到步骤 1建立的有限元热仿真模型后得到的第1层结构的设定测 量位置的温度、 第2层结构的设定测量 位置的温度； (A)Ki,n为待确定的第i层结构的设定测量位置的温度Ti的函数， ci,n为待确定的第i层结 构的设定测量 位置的温度Ti的函数； 或者 (B)若第i层 结构的热阻为温度敏感热阻， 则Ki,n为待确定的第i层 结构的设定测量位置权　利　要　求　书 2/5 页 3 CN 115186556 A 3