基于有限元法的功率晶体管电热性能建模.doc

摘  要：晶体管是电器产品的重要组成部分，使用广泛。用于转换或放大电子信号的半导体晶体管种类多，其尺寸范围取决于封装方式。功率晶体管携带和耗散的功率更多，因此封装的尺寸也较大。这些封装可以连接到散热器，以达到更好的冷却效果，并避免系统过热。电系统工作时往往必须处理传热问题，电热通常是电流传导的不良结果。

基于有限单元法电热模拟是求解微电子器件热场分布的有效途径之一，它根据电场和热场中传输方程的一致性，以相似定理为理论基础以有限元法为具体实现手段，将热场中的问题转化到电场中去进行求解，拥有计算的高精度，转化速度快和能够广泛应用的特点。

本文通过使用高级数值仿真软件COMSOL Multiphysics来模拟由电路板的一小部分组成的系统，其中包含功率晶体管和连接到晶体管的铜导线。仿真的目的是估计晶体管的工作温度，由于不需要的电热，这一温度可能远高于室温。然后，散热器通过陶瓷片后面的铜板连接到晶体管。构建电子系统 （如混合动力汽车中的元件）的冷却方式通常很重要，每个系统都有其可接受的工作温度范围。确定最高温度和最低温度极限的因素包括半导体材料属性、晶体管类型以及器件的设计等等。但是，存在一个常规温度范围，被认为是 -55°C 到 125°C 之间。通过建模得到的温度分布进行分析，判断功率晶体管是否需要安装散热器。建模结果显示本课题设计的系统最高温度约为 354 K 或 81°C，正好在晶体管的可接受工作温度范围内，这意味着在这种情况下并不需要将其连接到散热器上。

关键词：功率晶体管；电热；有限元法；COMSOL Multiphysics；

目录

摘要

Abstract

1 引言-1

1.1功率晶体管概况-2

1.2功率晶体管研究现状-2

1.3功率晶体管器件建模-3

1.4功率晶体管建模的分类及特点-4

1.5功率晶体管建模面临的挑战-4

1.6功率晶体管的散热途径-5

2 研究方法-6

2.1 有限元分析（FEA）软件-6

2.2 有限元法（FEM）-7

2.3 COMSOL-7

2.4 热仿真基本理论-9

2.4.1 能量守恒定律-9

2.4.2 热传导-9

2.4.3 热对流-9

2.4.4 热辐射-10

2.5 焦耳热效应-11

2.5.1 焦耳热的定义-11

2.5.2 焦耳热负面影响-11

3 建模仿真结果与讨论-12

3.1 模型定义-13

3.2 模块结构建模-14

3.3 建模结果与讨论-19

3.3.1 温度分布-19

3.3.2 电势-21

4 结论-23

参考文献-24

致谢-27