智能高功率模块键合引线寄生参数研究与优化论文设计

1、目录中文摘要IAbstractII第一章 绪论11.1论文研究的背景及意义11.2国内外研究现状21.3研究内容和指标21.4本文主要框架与结构3第二章 智能高功率模块封装特性研究52.1智能高功率模块三维结构特性52.2智能高功率模块热学特性72.3 IGBT智能高功率模块的电气特性82.5本章小结11第三章 智能高功率模块键合引线寄生参数研究123.1智能高功率模块电感理论123.2智能高功率模块版图143.3智能高功率模块寄生参数仿真模型163.3.1建立寄生参数仿真模型163.3.2仿真模型材料设置173.3.3仿真模型网格划分183.3.4设置source/sink源183.3.5运

2、行求解183.4智能高功率模块键合引线寄生参数仿真建模183.4.1 智能高功率模块键合引线的键合参数183.4.2 智能高功率模块键合引线模型创建193.5本章总结21第四章 智能高功率模块键合引线仿真实验分析224.1 建立智能高功率模块仿真模型224.1.1 ANSYS Q3D仿真模型预处理224.1.2 ANSYS Q3D智能高功率模块散热片模型建立234.1.3 ANSYS Q3D智能高功率模块IGBT芯片与续流二极管芯片模型建立234.1.4 ANSYS Q3D智能高功率模块键合引线模型建立244.1.5 ANSYS Q3D智能高功率模块键合引线与模型结合264.2智能高功率模块键

3、合引线优化设计分析284.2.1智能高功率模块键合引线数量分析实验294.2.2智能高功率模块键合引线直径分析实验314.2.3智能高功率模块键合引线间距分析实验324.3键合引线优化实验结果分析344.4智能高功率模块键合引线优化方案系统级验证354.5本章小结38第五章 总结与展望395.1本文主要工作总结395.2研究展望39参考文献41攻读硕士期间发表的学术论文45攻读硕士期间参与项目与课题46致谢47智能高功率模块键合引线寄生参数研究与优化中文摘要智能高功率模块比传统的半桥功率模块具有集成度高、可靠性更好、载流密度高等优点，成为了各种与电力能源相关的系统最关键的部分，比如智能家电、清

4、洁能源、高铁动车、飞行器、太阳能，风力发电等。高功率智能高功率模块主要有两部分组成，功率转换模块和逻辑控制模块，功率转换模主要有三个半桥，每个半桥有一个IGBT芯片记忆反向续流二极管，负责功率转换；逻辑控制模块主要由IC芯片组成，主要功能是控制功率模块的运行状态。随着各种半导体新技术与新材料的产生与发展，智能高功率模块的各种开关性能得到很大提升，工作频率的上升会给智能高功率模块的工作性能造成一定的影响，这种影响主要体现在频率升高会导致寄生参数的影响增大，对内部电路造成更大的电应力，增加功率模块失效的几率，由于寄生参数对智能高功率模块的影响越来越大，对智能高功率模块的研究也越来越集中在寄生参数方

5、面。 本文针对现行的主流的高功率智能高功率模块（IPM）产品，首先以600V/30A IPM模块为主要研究对象，介绍了智能高功率模块的原理图以及具体的工作原理，并详细阐述了智能高功率模块的结构特性、电特性以及热特性等方面的性能，介绍了导体电感相关的基础理论。 其次，详细阐述了智能高功率模块建模过程与步骤，然后研究键合引线的数量、半径以及间距对智能高功率模块中寄生参数的影响，通过使用ANSYS Q3D Extractor 软件分别对各组键合引线建模，然后进行仿真实验，对智能高功率模块键合引线的寄生参数进行提取和测量，并比较不同的键合引线的封装下寄生参数的分布和变化情况，提出优化方案，并针对优化后

6、的键合引线进行建模与仿真实验，实验结果标名优化后的键合引线的寄生参数相比原始键合引线所产生的寄生参数下降均超过15%。最后，总结全文，展望在降低智能高功率模块寄生参数方面在日后的研究和发展。关键词： 智能高功率模块，寄生参数，键合引线，封装Research and optimization of parasitic parameters of bonding leads in high power intelligent power moduleAbstractIntelligent power module is a kind of power device with high integr

7、ation. Intelligent power module integrates power chip with various drive protection circuits. It has higher integration, better reliability and current carrying capacity than traditional half-bridge power modules. The advantages of high density have become the most critical parts of various electric

8、al energy related systems, such as smart home appliances, clean energy, high-speed rail cars, aircraft, solar energy, and wind power. The high-power intelligent power module is mainly composed of two parts, a power conversion module and a logic control module. The power conversion module mainly has

9、three half bridges, and each half bridge has an IGBT chip memory reverse freewheeling diode, which is responsible for power conversion; the logic control module It is mainly composed of IC chips, and its main function is to control the operating status of the power module. With the production and de

10、velopment of various new semiconductor technologies and new materials, the various switching performances of smart power modules have been greatly improved. The increase in operating frequency will have a certain impact on the working performance of smart power modules. This impact mainly reflects A

11、t higher frequencies, the effect of parasitic parameters will increase, causing greater electrical stress on internal circuits and increasing the probability of power module failure. As the effect of parasitic parameters on intelligent power modules is increasing, research on intelligent power modul

12、es There is also an increasing focus on parasitic parameters.This article aims at the current mainstream high-power intelligent power module (IPM) products. First, the 600V / 30A IPM module is the main research object. The principle diagram and specific working principle of the intelligent power mod

13、ule are introduced. The structural, electrical, and thermal properties are introduced. The basic theory of conductor inductance is introduced.Secondly, the modeling process and steps of the intelligent power module are explained in detail, and then the influence of the number, radius and spacing of

14、the bonding leads on the parasitic parameters in the intelligent power module is studied. Each group of bonding leads is modeled by using ANSYS Q3D Extractor Then, carry out simulation experiments to extract and measure the parasitic parameters of the bonding wires of the smart power module, and com

15、pare the distribution and change of the parasitic parameters under the packaging of different bonding wires, propose an optimization scheme, and aim at the optimized bonding The modeling and simulation experiments of the leads were performed. The experimental results indicate that the parasitic para

16、meters of the bond wires after the optimization of the nominal name are reduced by more than 15% compared with the parasitic parameters generated by the original bond wires.Finally, summarize the full text, and look forward to future research and development in reducing parasitic parameters of intel

17、ligent power modules.Keywords: IPM, parasitic parameters，Bonding wire，encapsulation57第一章 绪论1.1论文研究的背景及意义自从电能被人类掌握和使用以来，为了满足人们对电力的需求，各种电力电子系统以及器件的出现与发展，极大的改善了人类的生活以及社会生产力，电力电子技术的发展极大的推动了人类与科学的前进与发展1。其中，电力电子器件中发展最快的就是半导体，当时的主流电力电子设备是大功率电子管和汞弧晶闸管。世界上第一个晶闸管是通用公司开发生产的。它是基于汞弧晶闸管和电子管开发的。由于其出色的工作性能和可靠性，因此具有

18、切换速度快和使用寿命长的优点。它代替了旧的电子管和汞弧晶闸管，广泛用于电力电子设备。在1980年代，旧的半导体技术已经满足不了电子科学的快速发展以及工业应用需求，所以开发了更多类型的晶闸管并投入生产和使用。随着科技的发展，各种先进的电力电子系统开始进军清洁能源领域，在各种节能以及风能、水电等能源领域都有重要的应用，如电机驱动器，电流转换器，太阳能风能等2-5。现代电力电子系统的核心部位是智能高功率模块，智能高功率模块的好坏可以决定整个电力系统的性能。IGBT芯片主要由MOS与BJT两部分组成，是一种复合型器件，所以IGBT芯片综合了两种器件的优点6。智能功率（IPM）在IGBT功率模块基础上将

19、驱动电路、多种保护和故障检测电路混合集成到一起的一种高集成度的功率模块，体积更小，使用更灵活，更好的适应各种工业化需求。 目前，现行主流的晶体管的频率都可以达到兆赫兹，晶体管与IC电路集成到一起，可以增强功率模块可靠性，满足高功率密度的条件7。随着电力电子技术趋向高集成度以及高功率密度，可以很好的适应未来工业发展需求和应用需求。智能高功率模块具有优秀的性能，成为了各种科学与工业系统不可或缺的一部分。随着现代科学技术的进步，新技术新材料的出现会使智能高功率模块向着更小更强更先进的方向前进9-10。欧洲、美国等国家对智能高功率模块的研究与生产起步较早，生产功率模块的公司也很多，例如：英飞凌、东芝、

20、IR45。这些公司的产品占据的国内市场的绝大部分11，国内功率模块产业相比于欧美等国家差距较大，国内对功率模块各个方面的研究落后于欧美等国家，包括功率模块的制造工艺、低寄生参数的模块设计方案等，国内主要有嘉兴斯达、士兰微、中国中车、比亚迪、广东美的等几家公司进行功率模块的研究和生产，所以加快国内企业研究与生产具有自主知识产权的智能高功率模块对冲破技术垄断有着重要意义。 以本文的研究对象600V/30A智能高功率模块（IPM）为例，功率模块基本机构主要分成IGBT功率电路以及集成IC电路两个部分，功率电路部分中有6个IGBT芯片，每一个IGBT芯片都与一个续流功率二极管相连，IGBT芯片和快速功

21、率二极管都是通过键合引线与PCB电路连接，在现行的半导体封装互连技术中，连线键合以其成熟的技术、低成本和灵活的连接方式等优点，相比于其他的键和方式，仍是目前最受欢迎的芯片互联方法12-14。寄生参数是影响智能高功率模块工作稳态和可靠性的主要因素，在系统工作过程中，智能高功率模块主要是在高电压大电路的情况下进行开通与关断，不同的换流回路也会对寄生参数产生影响，所以在智能高功率模块设计过程中需要重点考虑智能高功率模块的基本结构和功率器件的互连特性对寄生参数的影响16。智能高功率模块的PCB版图结构和键合引线对寄生参数的影响占主要部分。智能高功率模块内部寄生参数会影响智能高功率模块的工作性能和可靠性

22、，所以研究与优化智能高功率模块内部寄生参数显得尤为重要，从而成为了研究人员和设计生产厂商主要关注点。1.2国内外研究现状德国的塞米控公司于1989年研发出第一款传统型高压IGBT功率模块，开启了之后的功率模块发展的新纪元，而现代智能型高压IGBT模块的设计理念最早是由日本提出的，1997年日本三菱公司推出第一代传递膜结构的智能型高压IGBT功率模块。随着功率模块应用领域越来越广，为了满足各种情况下的需求，功率模块发展趋向更加小型化，更加智能化17。在这种发展的同时，功率模块寄生参数逐渐成为了人们研究的焦点。功率模块寄生参数会在功率开关器件开启或关断的瞬间产生电流尖峰或电压尖峰，这种电流尖峰或电

23、压尖峰会对功率器件产生巨大的压力，如果尖峰超过了功率模块额定值时，会导致功率模块失效。 大部分关于智能高功率模块寄生参数优化的研究重点都在智能高功率模块的结构优化以及IGBT芯片等方面，而针对于智能高功率模块键合引线的研究大多集中在键合引线的寿命以及失效模型等方面，针对键合引线寄生参数的研究较少，键合引线产生的寄生电感同样对智能高功率模块的可靠性产生重大的影响18。1.3研究内容和指标本文以智能高功率模块内部的键合引线作为讨论的对象，研究与优化智能高功率模块键合引线产生的寄生参数，提出优化方案，减小由键合引线所产生的寄生参数。对于功率模块的键合引线寄生参数的分析和优化主要体现在两个方面：第一个

24、方面是针对键合引线的线形进行分析和优化，第二个方面是针对键合引线的物理参数（并联数目、半径、间距）进行研究和分析。 本文的具体研究内容如下几个方面：（1）利用Altium Designer和ANSYS Q3D Extractor建立智能高功率模块内部和键合引线的仿真实验模型，通过ANSYS Q3D Extractor将智能高功率模块模型与键合引线的模型进行嵌合。（2）通过ANSYS Q3D Extractor软件对智能高功率模块与键合引线的仿真模型进行分析和提取，掌握键合引线寄生参数的分布情况和不同键合引线参数下的寄生参数的变化情况。（3）通过比较和分析，研究键合引线的键合参数对寄生电感的影响

25、，并得出规律性结论，通过和生产设计成本和维护成本的综合分析，得出一般规律的最优化键合引线的参数的普遍方法。指标名称设计指标输入电压600V母线电流30A模块功率1800W寄生参数减小15%关断电压过冲减小5%1.4本文主要框架与结构第一章：绪论首次阐述了本文的研究背景以及研究意义，介绍了智能高功率模块基本概念以及发展历程。然后介绍了国内外针对智能高功率模块以及寄生参的研究现状，最后明确了本文的研究内容以及方法，提出了研究目标。第二章：智能高功率模块封装特性研究首先介绍了智能高功率模块的整体结构，对智能高功率模块内部结构进行阐述。然后介绍了智能高功率模块热学特性的一些基本理论，热量传递的几种方式

26、。最后介绍了智能高功率模块以及IGBT芯片的电学特性，分析了智能高功率模块内部的IGBT功率芯片的静态特性和动态特性，为后续研究提供理论基础。第三章：智能高功率模块键合引线寄生电感研究主要介绍了智能高功率模块电感的相关理论以及本文所使用的600V/30A智能高功率模块的PCB基本结构。然后介绍了智能高功率模块仿真实验模型的主要步骤等内容。第四章：智能高功率模块键合引线仿真实验分析主要介绍智能高功率模块仿真模型建立的详细步骤，并重点阐述了建模关键点，然后介绍介绍了键合引线建模仿真实验的过程，并分析了实验结果数据，提出了优化方案。第五章：总结与展望总结的前面智能高功率模块键合引线的实验结果数据，提

27、出了优化方案并进行验证，总结全文，提出本文的不足并展望未来智能高功率模块寄生参数研究的发展方向。第二章 智能高功率模块封装特性研究 随着电子科学技术快速发展以及各种工业系统需求增大，为了适应各种场景的应用，智能高功率模块的封装越来越小型化以及高集成度，智能高功率模块寄生参数对可靠性造成的影响逐渐成为人们关注的重点20。本文以600V/30A智能高功率模块作为研究对象，分析600V/30A智能高功率模块的整体结构，然后详细介绍了智能高功率模块热学特性以及电学特性，详细阐述了IGBT芯片的静态特性与动态特性。然后介绍了智能高功率模块仿真模型建立的具体步骤，为后面详细阐述建模步骤提供框架与方向。2.

28、1智能高功率模块三维结构特性现代常用的功率模块结构比较简单，功率模块内部是利用键合引线将IGBT功率芯片进行了电气互连，外面封装一个坚硬的绝缘外壳用来保护内部的芯片。市场中常用的功率模块一般为以下几种：单芯片功率模块、双芯片功率模块、四芯片功率模块以及六芯片功率模块19。智能高功率模块在这些功率模块的基础上增加了逻辑控制、驱动以及多种控制保护电路，具有更高的集成度。智能高功率模块的集成度更高，可靠性更好。图2-1是普通的IGBT功率模块。图2-1功率模块IGBT功率芯片是智能高功率模块关键结构，决定着智能高功率模块的各项工作性能。IGBT功率芯片主要由MOS和BJT两部分构成，并将二者的优点结

29、合在一起，所以IGBT功率芯片具有低通态电压、高电流密度等优点21。智能高功率模块内部主要有IGBT功率芯片和IC电路等部分，完善了模块内部的各种驱动与保护电路，应用便捷，可靠性高。智能高功率模块内部有各种检测保护电路，拥有很强的故障排查以及过电过温保护功能，功能完善程度与可靠性都远比普通功率模块要好，并可以根据应用的场景和环境不同定制产品22。图2-2是三菱重工公司的智能高功率模块。图2-2智能高功率模块实物图本文所使用的600V/30A智能高功率模块的结构如图2-4所示，从图中可以看出，此款智能高功率模块内部有6个IGBT功率芯片，每个IGBT芯片都有一个反向功率二极管并联，每个IGBT芯

30、片下面都有一个散热片，IGBT芯片与IGBT芯片、IGBT芯片与DBD板之间都有键合引线进行电气互连。其中IGBT功率芯片和反向功率二极管是整个模块最为重要的部分。散热片主要为IGBT芯片以及功率二极管产生的热量提供散热途径23。图2-3 600V/30A智能高功率模块原理图c图2-4 600V/30A智能高功率模块结构示意图2.2智能高功率模块热学特性各种电子系统运行时会有热量产生，智能高功率模块在运行过程中也会有热量产生，这些热量都源自内部的电路损耗，IGBT功率芯片、功率二极管以及键合引线都能大量的热量24。这里涉及到的一个结温这个物理量，结温指的是电力电子系统中半导体的实际工作温度，器

31、件和键合引线的损耗导致热量的产生，智能高功率模块封装结构提供了散热的通道25-26来进行热量的散出，调节智能高功率模块的结温。结温的变化会影响智能高功率模块的性能，所以智能高功率模块的生产厂家提供的参数中，结温数据都是在特定环境温度中测出来的，在实际的使用中，外界温度超过额定温度时，会对器件性能产生影响，严重的甚至导致器件的损坏。智能高功率模块的结温可以影响工作性能以及可靠性，智能高功率模块结温可以由两个方面决定，一个方面是器件产生的热量，另一方面时热量散出途径。从结温我们可以看出，智能高功率模块的电热特性之间相互影响，所以分析研究智能高功率模块的热特性对键合引线的研究与优化有着十分重要的作用

32、28。从热力学相关的理论知识可以看到，热量的传递可以分为热传导、热对流和热辐射三种不同的方式，每种方式都有着不同的介质和途径。在某些特定的情况下，热量的传递可以通过单一的当时传递，也可以多种方式并存。热传导是物体与物体之间通过接触进行热量传递的方式，在热传导的状态下，物体与物体之间没有位移，主要是靠物体内部的原子分子等各种运动粒子进行热量的运动。实际上，固体中热量的传递方式主要通过热传递，通过热传导将热量从热量较高的物体转移到热量较低的物体。可以决定热传导过程的参数有很多，主要有物体的温差、横截面积、导热系数等，这些参数共同决定着热量在物体之间传递的过程29-30。热对流是通过液体或气体等介质

33、产生运动来进行热量的传递的一种方式，物体产生的热量依托流动介质从物体传递到另一个物体。热对流的本质就是介质中的热量分布不均，导致了介质内部热量不同的部分发生了混合，然后形成了热量传递的途径。气体和液体一般都是以热对流的方式进行热量的传递，气体更为明显。热对流一般有两种方式，分别是自然对流和强迫对流，自然对流是自发形成的，由于介质内部热量分布不均，介质内部自发流动使内部的热量温度均匀，这个过程就是自然对流。强迫对流是在外界的作用下产生的，在外界作用施加在介质中，介质内部进行热量温度均匀的过程，并且提高了对流的速度31。除了上述两种方式，还有一种是热辐射，热辐射与其他两种热量传递方式有根本区别，热

34、辐射与其他两种热量传递方式主要不同点在于热辐射不需要介质，热量可以通过辐射进行远距离传递。 在智能高功率模块中，主要的热量产生来源就是IGBT功率芯片、续流二极管以及键合引线，IGBT芯片和续流二极管都是直接焊接23在散热片上，其产生的一部分热量通过底下的散热片传递到基板，由基板通过热传导将热量传递到散热器上，然后散热器以热对流的形式传递到空气中，一部分的以热传导的方式传递到键合引线上，一部分通过热传导的方式传递到外壳上。另一个比较大的热量来源是键合引线，键合引线产生的热量一部分通过热传导的方式传递到散热片，一部分通过热对流的方式传递到外壳上，随后都通过热对流将热量传递到周围空气中32。2.3

35、 IGBT智能高功率模块的电气特性IGBT功率芯片全称为绝缘栅双极型晶体管，IGBT功率芯片是由BJT（双极型三极管）和MOS（绝缘栅型场效应管）构成的一种电压驱动式功率器件，拥有BJT与MOS两者的优点，具有输入阻抗高，导通压降低，载流密度大等优点33。IGBT模块凭借着优异的性能逐渐取代MOS功率器件，在各种电力电子设备中充当着关键器件，智能高功率模块的工作性是由IGBT芯片的性能所决定的，分析研究IGBT功率芯片的特性是了解智能高功率模块工作特性最有效的途径。图2-7为一般IGBT功率芯片的结构图和等效电路图。 图2-7 IGBT内部结构模型及等效电路IGBT有三个端子，分别是栅极、发射

36、极以及集电极。其中发射极集电极是接入到主电路中，发射极和集电极连接到功率电路中，IGBT的工作状态是由栅-射极电压UGE控制，当UGE大于电压UGE(th)时，MOSFET内部形成沟道，并为PNP晶体管提供基极电流，使得IGBT导通。当在栅极没有电压时，MOSFET内的沟道消失，PNP晶体管中的基极电流被切断，使IGBT就关断。IGBT有静态特性和动态特性两种工作特性，静态特性主要表现为转移特性和输出特性，动态特性主要表现为开启和截止两种工作状态转换34。图2-8描绘了IGBT的静态特性曲线。图2-8 IGBT转移特性曲线当uGEUGE(th)时，IC和UGE只在UGE很很小时，呈现的是非线性

37、，当UGE很大时，IC和UGE是线性关系。栅极开启电压UGE(th)会受温度的影响，温度越高，电压值就会越小，在一般室温下，稳定在3-6V；最高栅-射电压一般选取在15V左右35。图2-9描绘了IGBT的输出特性特性。图2-9 IGBT输出特性曲线IGBT的输出特性曲线描述栅-射电压为参考量时，集电极电流IC与集-射电压UCE之间的关系。其中URM是IGBT最高反向阻断电压，UFM是IGBT最高正向阻断电压。当UCE0时，IGBT为关断状态。IGBT的工作状态可以分为正向阻断区、有源和饱和区三个部分， 其中有源区的电压和电流都很大，但是有源区是作为一个瞬时的状态，IGBT的工作状态主要是正向阻

38、断区以及饱和区两个状态。正向阻断区与饱和区是功率芯片的两个主要工作状态，在功率芯片工作过程是这两个状态相互切换。IGBT与MOS开通过程大致相同，首先是内部MOS部分的开通，当对栅-射极施加正电压之后，输入电容开始充电，经过一段时间之后，栅极电压达到阈值电压，这时就有电流在MOS结构中流动构成PNP晶体管的基极电流36-38。然后PNP的集电极电流开始流动，器件开始导通。在IGBT在关断的过程中，电流变化主要分成两个部分，如图2-10所示图2-10 IGBT的关断特性曲线从图中可以看出，第一个陡降区表示MOS管导通电流迅速下降，下降时间为tf1，取决于IGBT内部的PNP晶体管的电流放大系数。

39、第二个阶段是三极管电流缓慢的减小到零的阶段，即与基区过剩载流子复合有关的缓慢下降阶段（指数下降阶段），下降时间为tf2，下降的速度主要取决于N基区空穴流的复合速度。2.5本章小结 本章主要介绍了智能高功率模块的三维主体结构、热学特性以及电学特性。首先介绍了智能高功率模块的主要结构组成以及相关的结构特性；然后介绍了智能高功率模块的热特性，并详细阐述了热力学原理。最后阐述了IGBT功率芯片以及智能高功率模块的静动态特性最后，为后续的智能高功率模块键合引线建模与参数仿真提供理论支持。第三章 智能高功率模块键合引线寄生参数研究现代各种电力电子系统工作频率都比较高，工作条件相对恶劣，为了适应各种工作环境

40、，小型化和高集成度是其主要的发展方向。电子器件内部大规模集成电路所集成的器件越多，各种电场、磁场和热场等能量场之间的影响越来越明显。系统运行频率越来越高，电路中的寄生参数对系统的工作性能和可靠性的影响也会越来越大。由于各种电力电子系统设计开关频率的提高，DBC基板、键合引线等就无法等效成传统认知里面的理想导体，在高频率工作状态下，这些器件导体就会产生寄生参数，寄生参数会对内部的各种电路以及器件产生一些不好的影响。在智能高功率模块内部电路中，键合引线中的寄生参数带来的影响比其他导电体大，所以对键合引线寄生参数研究与优化有着非常重要的意义。3.1智能高功率模块电感理论法拉利定律描述磁场产生的电场，

41、时变的磁通量周围会出现感应电动势。当电流在导体中流动时周围会产生磁场，当电流发生变化时，磁场会影响电流的变化，相应的在导体上产生感应电动势，产生的感应电动势是电感主要的作用方式。导体阻止电流变化而产生的感应电动势是电感的主要表达形式，式（3-1）可以计算这种感应电动势平均值。 E=t (3-1)其中t表示的磁通量的变化与时间的比值，当t0时，公式所表示的物理物理意义是磁通量的变化率。电感由自感互感之分，自感主要表征为导体阻止内部电流变化所产生的感应电动势。互感是相邻导体之间产生的，两个相邻的导体有一个导体电流产生变化，相邻导体受电流的影响产生感应电动势。 电路所产生的电感也包括互感和自感，在电

42、力系统中，系统内部电流回路很多，多个电流回路就会相互影响产生互感，而且每个电流回路会产生自感，所以在电路设计中，不管是自感还是互感都要降到最低39。(3-2)规则性的导体可以利用公式3-2计算自感：L=1IcAdl 其中，c为导体横截面；A为导体横截面磁矢量电势；dl使沿导体横截面的矢量微分长度。式中A可以有公式3-3表示：(3-3) A=04cIRdl(3-4)式中，R是A与差动电流段的距离，dl是沿着c的矢s量差动长度。式3-3带入到式3-2中，简化之后的自感计算公式：L=04ccdldlR对于非规则的导体、形状不规则的导体，就无法利用公式进行计算27。随着智能高功率模块的封装技术工艺进步

43、和发展，内部电气互连键合引线的形状复杂化，针对形状复杂的导体，公式法无法计算电感值，所以针对非规则的导体，计算寄生参数可以用时域有限差分法、部分元法、动量法等,这些方法都需要通过大量的计算才能得出结果，一般使用计算机工具完成计算。一般常用的参数提取仿真软件有QRC Extrator、ANSYS Q3D Extractor，Star-RCXT, Calibre xRC等。本文使用的是ANSYS公司的仿真软件ANSYS Q3D Extractor。ANSYS Q3D Extractor功能非常全面，其中包括电路模型设计构建、寄生参数提取分析等功能40，ANSYS Q3D Extractor软件利用

44、有限元法进行方程的求解。(3-5)(3-6)(3-7)(3-8)所有的参数仿真软件都基于麦克斯韦原理来进行仿真计算求解，麦克斯韦可以由下面四个公式来表示： lHdl=lJds lEdl=-sBtds sBds=0 sDds=vdv 各类有限元分析软件都借助电磁场的相关理论对仿真模型进行仿真求解，电磁场相关理论的理论基础就是麦克斯韦方程组，通过计算网格化后的每个单元网格的相关电磁量值，进而集合每个单元网格的数据得出整个模型的电场磁场分布。电流在较高的频率下，导体中的电荷会在导体的表面聚集形成趋肤效应，趋肤效应会影响寄生参数，所以在提取计算寄生参数时，趋肤效应的影响也要在计算数据之内。Q3D Ex

45、tractor求解时考虑到趋肤效应，将电流分成直流(DC)和交流(AC)两种情况分别进行求解。ANSYS Q3D Extractor 求解导体的寄生参数的流程如图3-1。图3-1 ANSYS Q3D Extractor 寄生参数求解流程3.2智能高功率模块版图本论文以600V/30A智能高功率模块为例建立寄生参数仿真模型，如图3-2所示， 600V/30A智能高功率模块大体可以分成低功率电路部分和高功率电路部分，高功率电路部分主要是由6个IGBT模块、6个续流二极管以及散热板键合线组成，是智能高功率模块的最关键的部分，负责承担高电压和大电流导通与关断状态的转换。IC电路等低功率部分主要负责IG

46、BT的栅极驱动、过流过压保护和温度控制保护等各种保护功能。智能高功率模块集成化程度高，体积小，工业应用广泛，但是寄生电感对智能高功率模块工作性能有着极大的影响。在高工作频率下，内部的电气连接，包括端子、键合引线等都具有了寄生效应，不能直接作为理想的导体41去考虑，其中DBC基板以及键合引产生寄生电感占绝大部分。 从图中可以清晰的看到每个IGBT功率芯片散热片的焊接位置，每一个IGBT功率芯片与对应的功率二极管都焊接到一个散热片上面，芯片与铜层通过键合引线进行电气互连，模块内部的键合引线与铜层散热片都会产生寄生电感。图3-2 600V/30A智能高功率模块布局图 图3-3 600V/30A智能高

47、功率模块实物图智能高功率模块作为一个功率单元，普遍应用在各种逆变电路中，实现直流电转换成为交流电，功率模块内部通过控制每个功率器件的导通与关断，两种状态的不间断的切换，实现内部电流通路的规律性变化，实现换流逆变的过程。如图3-4所示，智能高功率模块在运行时，上部桥臂的反向二极管和下部的IGBT芯片组成一个回路，上部桥臂的IGBT芯片与下部桥臂反向二极管组成另一个回路，两个回路之间交替换流，回流过程中产生的寄生电感越大，会对功率芯片造成很大的电流电压应力，回路中包括键合引线以及铜层等结构，这些结构都会产生寄生参数。图3-4 功率模块换流示意图3.3智能高功率模块寄生参数仿真模型下面阐述600V/

48、30A智能高功率模块建立仿真模型的主要步骤。3.3.1建立寄生参数仿真模型 整个实验的关键在于智能高功率模块的仿真模型的精度，模型的精确度高，得到的仿真实验结果越准确，越符合实际，指导意义更大。首先，将Altium Designer打开600V/30A智能高功率模块的版图文件，检查无误后将文件输出为AnsoftLinks软件所识别的.anf文件，由AnsoftLinks软件将其版图文件转换成可以被ANSYS仿真软件所识别的.aedt文件，由ANSYS Q3D Extractor打开转换后的版图文件，转换后的版图文件只有布线，如图3-5所示。 图3-5600V/30A智能高功率模块布线图图3-6

49、 600V/30A智能高功率模块内部实物图在ANSYS Q3D Extractor中，将散热片、键合引线、IGBT芯片和二极管等模型按照实物的模式添加到布线中去，如图3-5所示，图中没有用于电气互连的键合引线，但是可以看到IGBT芯片、二极管和用于散热的散热片等。3.3.2仿真模型材料设置智能高功率模块创建完成之后，需要对各个部分的材料进行设置，对寄生参数产生的影响的主要有相对介电常数、磁导电导率等，其中相对介电常数是一个表示节点性质的物理量，相对介电常数值主要表示的时导体材料储能的强弱。磁导率主要体现介质磁性的大小。电导率表示电荷在物质中流动难易的物理量，这些材料属性参数的设置可以影响最后智

50、能高功率模块建模的准确性。一般的金属材料，像铝、银、铜等常见的金属材料，材料属性是固定的，可以直接去查阅使用。对于合金材料，由于其他金属的掺杂，材料属性会产生各种变化42，所以通过实际测试才能得出正确的属性值。3.3.3仿真模型网格划分当智能高功率模块的模型和材料都设置好之后，接下来就是网格划分。网格划分就是将模型离散化，在仿真求解时将单元分成小的单元进行求解。离散化网格的数量与质量不仅会对求解结果的精确性产生较大的影响，还会影响求解耗时。ANSYS Q3D Extractor 软件中可以进行自动划分网格，可以通过操作增加网格数，细化网格分化，但是增加和细化网格分化会增加求解所需要的资源与时间

51、，求解结果会更精确。 3.3.4设置source/sink源智能高功率模块的仿真模型材料和网格划分好之后，接下来就是设置激励，source/sink设置是建模的关键步骤，首先分析智能高功率模块实验部分的电流通路与电流流向，确定输入端与输出端，分别设置成source源以及sink源，然后设置电流源电压源参以及求解频率。 3.3.5运行求解ANSYS Q3D Extractor中有用于收敛判断的参数选项，可以设置迭代数目以及计算时间等参数，在求解过程完成后，可以查看寄生参数矩阵、场域分布图以及电流分布图等数据。 3.4智能高功率模块键合引线寄生参数仿真建模智能高功率模块的内部电气互连方式有很多种，

52、键合引线是进行内部电气互连最为成熟的一种互连技术，由于键合线互连具有许多其它芯片互连方法所不具备的优点，比如成本低、制造灵活、可靠性高等，键合线互连已成为40多年来应用最广泛的芯片互连方法。键合引线作为本论文的主要研究对象，在低工作频率和小功率应用场景下，键合引线可以看作是没有阻抗的理想导体，而在一些高工作频率和大功率应用中，键合引线会在瞬时变化的电流电压的条件下产生较大的寄生电感，寄生电感对电力电子系统的工作都有较大的影响。3.4.1 智能高功率模块键合引线的键合参数智能高功率模块在高频条件下，其中的键合引线会产生较大的寄生电感和感应电动势，所以在高频率条件下，需要考虑到键合引线的寄生参数的

53、影响，不能单纯的等效为理想导体，键合引线的阻抗可以分为直流电阻RDC、交流电阻RAC、导线的电感LW。对于直流电阻RDC可以通过式3-9算得出。 RDC=lA (3-9)式中，l表示导体的长度，表示导体的电阻率，A则表示导体的横截面积大小。高频状态下，交流电阻相较于直流电阻会具有趋肤效应，导体中如果存在交流的电场或磁场时，导体中的电荷会向导体的表面聚集，从而导致导体内的电荷分布不均，电流的不均匀分布会导致交流电阻的增大，进而增加导线上的电路损耗。趋肤效应的一个关键参数式趋肤深度，式3-10计算趋肤深度。=1f (3-10) 其中，是导体的磁导率，为导体的电导率，f为交变电流频率。由于趋肤效应的

54、存在，导体中的电流更多的集中在导体的表面，会导致实际导体的有效截面小于导体的界面，所以交流电阻会比直流电阻更大，即： RAC=RDCAAeff (3-11)其中实际的横截面积： Aeff=D (3-12)其中，D为导体的直径。所以，导线的交流电阻值为： RAC=RDCD4 (3-13)3.4.2 智能高功率模块键合引线模型创建在智能高功率模块工作过程中，键合引线载流密度较大，频率也非常高，键合引线本身的尺寸较小，所及寄生电阻影响较小，计算时可以忽略。键合引线结构可以简化成一个寄生电感的结构，最小化键合引线的寄生电感，可以从键合引线的各个物理参数去分析。计算分析键合线电感的可靠分析模型必须能够捕

55、捉到导线形状、键合参数和材料的影响，如图3-7所示，这是实际应用中的功率模块内部的键合引线。图3-7功率模块中的键合引线图3-8键合引线形状针对键合引线的形状，电子工业协会（EIA）早已提出了标准化的键合引线模型，称之为JEDEC模型34，图3-8中，(a)图是电子工业协会提出的标准化键合引线形状，但是在实际的工作生产中，普遍采用的是(b)图中的键合引线形状43，所以接下来讨论的就是物理参数和材料对键合引线寄生参数的影响。智能高功率模块键合引线使用的材料一般为Al(铝)、Cu(铜)、Au(金)、Ag(银)四种，这几种金属的材料属性 如表3-1所示。表3-1材料属性表材料属性AlCuAuAg电阻

56、率/cm2.71.72.211.59热导率/W(mK)-1220400317429热膨胀系数/PPMK-12316.514.218.9熔点/66010831064961从表中可以看出，在四种材料中，银的电阻率最低，铜次之，电阻率最高的是铝；热导率银的最高，铝的最低；热膨胀系数铝的最高；铝的熔点最低，铝相对于其他的金属金银铜来说，各项的属性都不是最好的，但是金银属于贵金属，作为键合引线材料来说，使用成本高昂。铜的材料属性铜的价格相对于金银来说较为便宜，铝在工业中也被广泛地应用，铝的材料属性在这些金属中是最差的，价格确实最便宜的，在实际的工业生产中，键合引线基本上都是用铝材料来生产的。所以键合引线建模，材料属性是选择铝材料。3.5本章总结本章主要介绍了电感相关