一种高功率芯片绝缘封装局部场强优化方法及设备与流程

1.本技术涉及高功率电力电子器件绝缘技术领域，尤其涉及一种高功率芯片绝缘封装局部场强优化方法及设备。


背景技术：

2.作为承担能量变换与传输的核心部件，功率模块的高压化、高功率密度化和小型化成为后摩尔时代功率器件发展的主要方向。相比于传统的硅基半导体器件，第三代宽禁带半导体器件（如sic，gan等）以其功率密度高、开关速度快、自保护能力强、控制准确灵活等优点在柔性直流输电和电力电子设备中得到了广泛应用。
3.但受限于封装绝缘技术，现有高功率模块的绝缘耐压水平远未达到宽禁带半导体材料的极限参数，严重制约了功率模块的市场化进程。目前商用sic-igbt（第三代半导体）模块的最高耐受电压为24kv，最大运行电流高达80a。由于功率模块芯片附近硅凝胶、aln陶瓷基板以及金属层组成的三结合点处介电常数不匹配，加上制造过程中金属层化学腐蚀以及键合线焊接工艺造成部分金属层边缘产生尖刺，使得场强发生畸变。随着功率模块电压等级的提升，绝缘内部电场畸变导致的芯片周围绝缘放电击穿问题亟需解决。
4.功率模块主要由硅凝胶、上下金属层以及aln陶瓷基板组成，其中电场畸变主要发生在硅凝胶中。介电功能梯度结构可以针对性地解决上述问题，但其介电常数的分布方式和材料参数的选取往往存在不合理性，会对场强优化结果产生不良影响。


技术实现要素：

5.本技术实施例提供了一种高功率芯片绝缘封装局部场强优化方法及设备，用以解决如下技术问题：现有的介电功能梯度结构中介电常数的分布方式与材料参数的选取存在不合理性。
6.一方面，本技术实施例提供了一种高功率芯片绝缘封装局部场强优化方法，所述方法包括：构建高功率芯片对应的二维仿真模型，并基于变密度优化算法在所述二维仿真模型的硅凝胶内构建介电功能梯度结构；通过所述介电功能梯度结构，构建所述高功率芯片对应的局部场强优化模型，以对所述介电功能梯度结构的材料分布进行优化；提取所述局部场强优化模型中的可调整参数，并确定所述可调整参数的取值范围，以获取最优的模型优化参数的取值范围；对所述介电功能梯度结构对应的介电功能梯度区域进行调整。
7.在本技术说明书的一个或多个实施例中，在基于变密度优化算法在所述二维仿真模型的硅凝胶内构建介电功能梯度结构之后，所述方法还包括：对所述二维仿真模型进行网格划分；根据网格划分结果，确定介电常数优化变量：其中，为场强优化区域，（x，y）为场强优化区域中的点，为场强优化区域对应的密度变量，为指数项，分别为介电常数优化变量的最大值与最小值。
8.在本技术说明书的一个或多个实施例中，在确定介电常数优化变量之后，所述方法还包括：确定电场均匀度子目标函数与电场强度子目标函数；其中，其中，e为场强优化区域的场强，为场强优化区域的平均场强，c为电场均匀度系数，c
ref
为初始c值；es为所述二维仿真模型三结合点处的当前场强，e
mean,all
为所述二维仿真模型整体绝缘区域的平均场强。
9.在本技术说明书的一个或多个实施例中，在确定电场均匀度子目标函数与电场强度子目标函数之后，所述方法还包括：确定惩罚函数：其中，m
size
为网格划分出的单元大小，s为场强优化区域w的面积；确定第一权重系数w与第二权重系数q；根据所述介电常数优化变量、所述电场均匀度子目标函数、所述电场强度子目标函数、所述惩罚函数、所述第一权重系数w以及所述第二权重系数q，构建所述局部场强优化模型。
10.在本技术说明书的一个或多个实施例中，所述可调整参数至少包括以下任一项或者多项：指数项、第一权重系数w、第二权重系数q以及介电常数优化变量最大值；其中，在所述局部场强优化模型中，所述指数项α用于控制介电常数优化变量随密度变量的变化速度；所述第一权重系数w用于确定电场均匀度子目标函数与电场强度子目标函数在总目标函数f中的所占比重；所述第二权重系数q用于表征所述局部场强优化模型抑制求解过程中数值不稳定的能力。
11.在本技术说明书的一个或多个实施例中，确定所述可调整参数的取值范围，具体包括：确定所述指数项的取值范围为10-3
~103，初始值为1；确定所述第一权重系数w的取值范围为0~1，初始值为0.5；确定所述第二权重系数q的取值范围为10-3
~103，初始值为1；通过预设介电常数计算模型，确定所述介电常数优化变量最大值的取值范围为3.17~21.79。
12.在本技术说明书的一个或多个实施例中，对所述介电功能梯度结构对应的介电功能梯度区域进行调整，具体包括：确定所述介电功能梯度区域对应的横向宽度分布范围与纵向高度分布范围；生成所述横向宽度分布范围与场强利用率之间的第一对应关系，以及生成所述纵向高度分布范围与场强利用率之间的第二对应关系；其中，所述场强利用率用于指示所述二维仿真模型整体绝缘区域的平均场强与所述二维仿真模型整体绝缘区域的电场强度之间的比值；基于所述第一对应关系与所述第二对应关系，调整所述介电功能梯度区域对应的横向宽度与纵向高度。
13.在本技术说明书的一个或多个实施例中，在对所述介电功能梯度结构对应的介电功能梯度区域进行调整之后，所述方法还包括：确定场强评估点；通过调整所述硅凝胶内的介电常数优化变量的分布范围，改变所述场强评估点处的场强利用率，以使所述场强利用率达到最大；其中，所述场强评估点为与所述二维仿真模型三结合点存在预设距离的点。
14.在本技术说明书的一个或多个实施例中，在对所述介电功能梯度结构对应的介电功能梯度区域进行调整之后，所述方法还包括：在可调整参数的取值范围内，确定所述可调整参数的取值；将所述可调整参数的取值代入所述局部场强优化模型中，并迭代更新所述局部场强优化模型中的密度变量，直至相邻两次总目标函数f的变化量低于预设变化量阈值；通过预设探针获取介电常数优化变量的分布与所述二维仿真模型三结合点处的场强分布。
15.另一方面，本技术实施例还提供了一种高功率芯片绝缘封装局部场强优化设备，所述设备包括：处理器；以及，存储器，其上存储有可执行指令，当所述可执行指令被执行时，使得所述处理器执行如上述的一种高功率芯片绝缘封装局部场强优化方法。
16.本技术实施例提供的一种高功率芯片绝缘封装局部场强优化方法及设备，具有以下有益效果：以优化高压大功率电力电子模块三结合点处电场强度以及提升整体绝缘场强均匀度为目标，提出了综合数学优化和结构优化的优化方法。基于上述方法，研究了各种参数对场强优化效果的影响，并在达到相同优化效果的基础上进一步缩小了高介电常数区域。给出了介电功能梯度结构对应材料介电常数的取值范围和分布范围指南，并通过有限元仿真进行了验证。具体地，在构建高压功率芯片二维仿真模型的基础上，基于数学优化思想构建了介电功能梯度结构并研究了局部场强优化模型中可调整参数对场强抑制效果的影响规律，进而确定了合理的介电常数的分布范围与材料参数的选取。这种优化策略结合了材料参数优化和分布方式优化的优势，从“控形”和“控性”两个角度为高压功率模块芯片的绝缘优化提供了理论指导。
附图说明
17.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：图1为本技术实施例提供的一种高功率芯片绝缘封装局部场强优化方法流程图；图2为本技术实施例提供的介电常数计算模型对比图；图3为本技术实施例提供的介电功能梯度区域横向宽度优化曲线图；图4为本技术实施例提供的介电功能梯度区域纵向高度优化曲线图；图5为本技术实施例提供的一种应用场景下的，介电常数优化效果图；图6为本技术实施例提供的一种应用场景下的，场强优化效果图；图7为本技术实施例提供的一种高功率芯片绝缘封装局部场强优化设备结构图。
具体实施方式
18.为了使本技术领域的人员更好地理解本技术中的技术方案，下面将结合本技术实
施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本说明书实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本技术保护的范围。
19.本技术实施例的目的在于提供一种高功率芯片绝缘封装局部场强优化方法，在构建二维仿真模型的基础上，基于变密度优化算法构建介电功能梯度结构，进而获得最优的介电功能梯度结构材料取值范围。然后，在材料优化的基础上对介电功能梯度结构对应的介电功能梯度区域进行优化，并以场强利用率和三结合点处电场强度作为评估指标对局部场强的优化效果进行评价。
20.下面通过附图对本技术实施例提出的技术方案进行详细的说明。
21.图1为本技术实施例提供的一种高功率芯片绝缘封装局部场强优化方法流程图。如图1所示，本技术实施例中的局部场强优化方法，至少包括以下执行步骤：步骤101、构建高功率芯片对应的二维仿真模型，并在二维仿真模型内构建介电功能梯度结构。
22.本技术实施例提供的局部场强优化方法，首先需要构建高功率芯片的二维仿真模型，所谓高功率芯片指的是大功率电力电子模块中的芯片，构建芯片的二维仿真模型，后续的优化过程就可以都在二维仿真模型上实现，便于优化操作的实现以及优化结果的观察。
23.在本技术的一个示例中，前述二维仿真模型由硅凝胶、上下金属层以及ain陶瓷基板组成，其中电场畸变主要发生在硅凝胶中，因此，在硅凝胶中通过变密度优化算法构建介电填料呈现环形分布的介电功能梯度结构，以降低二维仿真模型中由硅凝胶、金属层和aln交界构成的三结合点处的场强，进而实现局部场强的优化。
24.进一步地，前述变密度优化算法的核心思想是将二维仿真模型的介电常数转换为网格密度的函数，这样一来，就需要在构建完二维仿真模型之后对该二维仿真模型进行网格划分，具体地划分方式及划分结果可以在实际应用中根据实际情况进行调整，本技术实施例在此不作限定。
25.步骤102、基于介电功能梯度结构，构建局部场强优化模型。
26.本技术实施例中构建介电功能梯度结构的目的是降低二维仿真模型中三结合点处的场强，以实现对局部场强进行的优化，因此，构建完介电功能梯度结构之后，可以通过构建局部场强优化模型，对介电功能梯度结构的材料参数先进行优化。
27.具体地，在完成网格划分之后，介电常数优化变量就可以表示为：其中，为场强优化区域，（x，y）指示场强优化区域中的点，为场强优化区域对应的密度变量，为指数项，分别为介电常数优化变量的最大值与最小值。
28.需要说明的是，前述场强优化区域指的是二维仿真模型中绝缘材料所对应的区域。
29.进一步地，本技术实施例中局部场强优化的优化目标是降低功率模块三结合点处的场强并提高二维仿真模型整体绝缘的场强均匀度。因此，在确定介电常数优化变量之后，还需要构建电场均匀度子目标函数与电场强度子目标函数，并且，优化后的的要
尽量大，以表征优化后的二维仿真模型的整体绝缘的场强尽量均匀，优化后的要尽量小，以表征优化后的三结合点处的场强尽量小。
30.其中，电场均匀度子目标函数的表达式为：其中，e为场强优化区域的场强，为场强优化区域的平均场强，c为电场均匀度系数，c
ref
为初始条件下的c值，用于消除介电功能梯度结构对应的介电功能梯度区域的几何尺寸对场强优化结果的影响。
31.并且，电场强度子目标函数的表达式为：其中，es为二维仿真模型三结合点处的当前场强，e
mean,all
为二维仿真模型中整体绝缘区域的平均场强。在本技术的一个示例中，整体绝缘区域与前述场强优化区域可以指向同一个区域，也即绝缘材料对应的区域。
32.在此基础上，还需要引入第一权重系数w调整f1和f2对总目标函数f的影响。同时需要引入惩罚函数f
p
，以消除由于场强优化问题的高度非线性以及局部场强优化模型的结构复杂性引起的棋盘格和网格依赖现象。惩罚函数f
p
表达式为：其中，m
size
为划分出的网格单元的大小，s为场强优化区域w的面积。系数m
2size
/s可以消除惩罚函数f
p
对局部场强优化模型结构的依赖，使模型仅与材料特性分布相关联，以实现介电功能梯度结构材料的优化。在优化过程中，当材料特性的分布过于复杂导致模型出现棋盘格、细小分枝、锯齿状边界等情况时，惩罚函数f
p
将会增大，以实现数值不稳定现象的有效抑制。
33.更进一步的，还需要确定惩罚函数所对应的第二权重系数q，以完成如下局部场强优化模型的构建：
步骤103、提取局部场强优化模型中的可调整参数，并确定可调整参数的取值范围。
34.在完成局部场强优化模型的构建之后，提取模型中可以调整的参数，也即本技术实施例中的可调整参数，至少包括：指数项、第一权重系数w、第二权重系数q以及介电常数优化变量最大值；之后，就可以通过分析各个可调整参数的特性，来确定各个可调整参数的取值范围。
35.在本技术实施例的一种或多种可能实现方式中，密度变量的指数项a用于控制介电常数优化变量随密度变量的变化速度：当a=1时，介电常数优化变量与密度变量呈线性关系；当a《1时，介电常数优化变量与密度变量呈对数关系；当a》1时，介电常数优化变量与密度变量呈指数关系。因此，为了研究指数项a对模型介电常数分布范围的影响，将其取值范围设定为10-3
~103，初始值为a=1。
36.进一步地，参数q代表了惩罚函数f
p
在优化过程中的重要度，q值的大小将影响局部场强优化模型抑制求解过程中数值不稳定的能力。为了确定最优的权重系数，其取值范围应尽可能的大，因此，将其取值范围设定为10-3
~103，初始值为q=1。
37.其次，参数w决定了电场均匀度子目标函数与电场强度子目标函数在总目标函数f中的所占比重。在w较小时，侧重优化三结合点处的场强；在w较大时，侧重优化全局场强分布的均匀性。因此，设定w的取值范围为0~1，初始值为w=0.5。
38.更进一步地，为了确定二维仿真模型中介电常数优化变量的最大值的变化范围，假定其变化是通过调整高介电常数batio3颗粒添加到硅凝胶基体中的体积分数实现的。batio3的相对介电常数为1235，硅凝胶的相对介电常数为2.7，两种材料复合后其介电常数计算的5种模型分别为：并联模型：looyenga模型：lichtenecker模型：
maxwell-garrent模型：串联模型：其中，为连续相的介电常数，为离散相的介电常数，a为离散相含率。实验表明，当硅凝胶中batio3的体积分数大于15%时混合液会因粘度过高而无法流动。故本技术实施例中设置batio3的体积分数最大值为15%，5种模型计算所得的介电常数分别为187.5、21.79、6.77、4.12、3.17，其对比结果如图2所示。
39.由图2可以发现，并联模型计算所得的复合介电常数最大，但这种模型要求填充粒子在基体内的排列方向与电场线一致，通过现有的制备工艺难以实现。因此，本技术实施例中选取介电常数最大值的取值范围为3.17~21.79，因此，介电常数优化变量的初始值=21.79，最小值=2.7。
40.至此，完成局部场强优化模型中可调整参数的取值范围的确定过程，也即完成了二维仿真模型中介电功能梯度结构的材料参数的选取与优化。
41.步骤104、对所述介电功能梯度结构对应的介电功能梯度区域进行调整。
42.在材料参数优化的基础上，本技术实施例还对介电功能梯度结构的填充区域，也即介电功能梯度区域的横向宽度sd和纵向高度sh进行优化，以缩小介电功能梯度材料的填充范围。
43.图3为本技术实施例提供的介电功能梯度区域横向宽度优化曲线图；图4为本技术实施例提供的介电功能梯度区域纵向高度优化曲线图。如图3,、图4可知，初始介电功能梯度区域的横向宽度sd为0.85mm，纵向高度sh为0.6mm；在初始横向宽度与初始纵向高度的基础上，对横向宽度与纵向高度进行一定范围上的增加，生成了横线宽度与电场强度、场强利用率之间的曲线，以及纵向高度与与电场强度、场强利用率之间的曲线。
44.并且，由图3可知，随着横向宽度sd的增加，三结合点处的场强逐渐减小，整体的场强利用率逐渐增大。在sd=1mm时，电场强度最小，为e=35.94kv/mm，场强利用率最大，为0.071。当sd》1mm时，场强利用率和电场强度基本保持不变。因此，本技术实施例中选择介电功能梯度区域的横向宽度sd为1mm。以及，由图4可以看出，随着纵向高度sh由0.6mm增加到0.9mm，场强利用率呈现先增加后减小的趋势，在sh=0.75mm时场强利用率达到最大值，为0.072。与此相反，三结合点处的场强呈现先下降后增加的趋势，在sh=0.75mm达到最小值，为e=35.86kv/mm，因此，本技术实施例中选择介电功能梯度区域的纵向高度sh为0.75mm。
45.至此，完成介电功能梯度区域的优化过程，也即完成了整个局部场强的优化过程。
46.在本技术实施例的一种或多种可能实现方式中，还需要对场强优化的效果进行评价，具体地，为避免奇异值问题，可以确定一个场强评估点来代替三结合点，在本技术的一个示例中，使用距离三结合点横向和纵向10mm的t点来代替三结合点（参见图6中的t-point）。同时，在优化评价过程中以场强利用率作为电场均匀程度的评价指标，其表达式为：
其中，0 《《 1，e
mean,all
和e
max,all
分别代表二维仿真模型整体绝缘区域的平均电场强度和最大电场强度。电场利用率越接近1，说明电极-绝缘结构内的电场分布越均匀，也即说明场强优化效果越好。
47.为了使本技术实施例中的局部场强优化方法描述更易理解，本技术实施例还进行了如下场景的举例说明。
48.在拿到一个需要优化的高功率模块/芯片之后，先根据该高功率芯片的真实结构构建其对应的二维仿真模型，并对二维仿真模型进行网格划分，然后，根据前述可调整参数（也即材料参数）的取值范围，设置二维仿真模型中硅凝胶的介电参数，之后，将可调整参数的取值代入前述局部场强优化模型中，并迭代更新局部场强优化模型中的密度变量，直至相邻两次总目标函数f的变化量低于预设变化量阈值，此时迭代停止，通过预设探针获取此时的介电常数优化变量的分布与二维仿真模型三结合点处的场强分布。对在实际模块中构造介电功能梯度提供理论指导。
49.图5为本技术实施例提供的一种应用场景下的，介电常数优化效果图，图6为本技术实施例提供的一种应用场景下的，场强优化效果图，也即，图5说明了引入介电功能梯度微区域后的介电常数分布情况，以及图6说明了引入介电功能梯度微区域后的场强优化效果。结果表明优化后的介电常数均呈现环状分布，参见图5，这易于后续使用相应方法进行介电梯度材料制备。同时，高介电常数分布位置均集中在三结合点处，也即集中在图5的cu、gel与ain ceramic三个区域结合点处，用于均化场强，均化后的场强为e=18.51kv/mm，参见图6。但在全局填充情况下，介电常数变化的区域面积占硅凝胶绝缘总面积的56.2%，而介电功能梯度微区域仅占硅凝胶绝缘总面积的4%，其对绝缘基体本征性能的影响最小且实际制造的可行性和经济性更高。
50.相对于现有技术，本技术实施例提出的局部场强优化方法具有如下优点：1）以三结合点处场强最小作为目标函数，基于数学优化思想构建了介电功能梯度材料最优分布方式计算模型，也即局部场强优化模型，为其实际应用提供了理论指导。
51.2）通过分析所构建的优化模型中各参数的特性，确定了各参数的取值范围和初值。最重要的，确定了所填充粒子的最大介电常数e
max
的取值范围，实现了介电功能梯度结构材料参数的优化，对介电功能梯度结构的材料选择具有指导意义。
52.3）在材料参数优化的基础上，以场强利用率和三结合点处场强作为优化指标，针对介电功能梯度材料分布区域的横向宽度和纵向高度进行了进一步优化，在保持相同优化效果的基础上可以进一步节省填料填充量，优化工艺参数。
53.以上为本技术实施例中的方法实施例，基于同样的发明构思，本技术实施例还提供了一种高功率芯片绝缘封装局部场强优化设备，其结构如图7所示。
54.图7为本技术实施例提供的一种高功率芯片绝缘封装局部场强优化设备结构图。如图7所示，设备包括：处理器；以及，存储器，其上存储有可执行指令，当所述可执行指令被执行时，使得所述处理器执行如上述的一种高功率芯片绝缘封装局部场强优化方法。
55.在本技术实施例的一种或多种可能实现方式中，处理器用于，构建高功率芯片对应的二维仿真模型，并基于变密度优化算法在所述二维仿真模型的硅凝胶内构建介电功能梯度结构；通过所述介电功能梯度结构，构建所述高功率芯片对应的局部场强优化模型；提取所述局部场强优化模型中的可调整参数，并确定所述可调整参数的取值范围；对所述介电功能梯度结构对应的介电功能梯度区域进行调整。
56.本技术中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于设备实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
57.上述对本技术特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。
58.以上所述仅为本技术的实施例而已，并不用于限制本技术。对于本领域技术人员来说，本技术的实施例可以有各种更改和变化。凡在本技术实施例的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的权利要求范围之内。