(19)中华 人民共和国 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 202111398601.9 (22)申请日 2021.11.19 (71)申请人 浙江大学杭州国际科创中心 地址 311200 浙江省杭州市萧 山区建设3路 733号 (72)发明人 盛况　吴九鹏　任娜　 (74)专利代理 机构 杭州裕阳联合专利代理有限 公司 33289 代理人 张解翠 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) G06F 113/26(2020.01) G06F 119/08(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种半导体器件的电学和热学行为模拟方 法 (57)摘要 本发明提出一种半导体器件的电学和热学 行为模拟方法， 包括一种电热耦合模型， 可用于 快速计算半导体器件在大功率过程中内部各处 的温度和压降随时间的变化规律， 具体包括根据 器件的几何结构参数、 材料特性参数、 静态电学 特性、 热阻抗特性建立器件的电学、 热学模型； 根 据器件的电学、 热学模型， 建立电热耦合模型的 电学支路和热学支路； 根据电热耦合模型的电学 支路和热学支路， 以外加电流激励作为输入， 计 算电学支路中各元件压降和热学支路中各结点 温度随时间的变化。 本发明的模拟方法有助于迅 速把握器件的行为特征， 提升器件 可靠性优化的 效率， 且相比于动态数值仿真具有更快的计算速 度， 相比传统RC热路模型更加贴合实际， 具有更 高的精度。 权利要求书4页 说明书15页 附图6页 CN 114254483 A 2022.03.29 CN 114254483 A 1.一种半导体 器件的电学和热 学行为模拟方法， 包括： 获取器件的几何结构参数、 材 料特性参数、 电学 特性和热阻抗特性； 根据几何结构参数、 材料特性参数、 电学特性和热阻抗特性建立器件的 电学模型和热 学模型； 根据电学模型建立电学支路； 根据热学模型建立热 学支路； 根据电学支路和热学支路建立电热耦合模型， 所述电热耦合模型中， 电学支路和热学 支路之间存在电热耦合关系； 以及 在电热耦合模型中， 以外加电流激励作为输入， 计算电学支路中各电学元件压降和热 学支路中各 结点的温度。 2.如权利要求1所述的半导体 器件的电学和热 学行为模拟方法， 其中， 所述几何结构参数包括： 器件中芯片的外延层厚度、 芯片的衬底层厚度、 芯片的衬底层 掺杂浓度、 芯片的有源区面积和芯片的总面积； 所述材料特性参数包括： 芯片的半导体材料的 电子迁移率、 电阻率依赖于材料温度和 掺杂浓度的函数关系， 以及芯片的半导体材料、 封装结构的焊料、 铜板材料的热导率和体积 比热容依赖 于材料温度的函数关系； 所述电学特性包括： 在任意一个温度下， 器件处理功率信号的两个端口之间的偏置电 压与流经这两个端口 的电流之间的函数关系； 以及 所述热阻抗特性包括： 在任意一个温度下， 从芯片主结到封装外壳外表面这条散热路 径上， 累计热容随累计热阻变化的函数关系。 3.如权利要求2所述的半导体器件的电学和热学行为模拟方法， 其中， 对两端器件而 言， 电学特性指在两个或者两个以上温度下， 所述两端器件的两个端口之间的偏压与流经 两个端口的电流之间的函数关系； 对于三端器件而言， 电学特性指当控制端口上 的控制电 流或者电流保持在某个值时， 在两个或者两个以上温度下， 所述三端器件的处理功率信号 的两个端口之间的偏压与流经这两个端口 的电流之间的函数关系。 4.如权利要求1所述的半导体器件的电学和热学行为模拟方法， 还包括： 根据 材料特性 或电学特性将半导体器件沿着电流方向分为多层， 每一层被称为一个分层， 所述电学模型 包括每个分层的两端压降依赖于所述每个分层温度和流经所述每个分层电流的关系， 所述 热学模型包括每 个分层的热阻值、 热容 值依赖于该每个分层温度的关系。 5.如权利要求 4所述的半导体 器件的电学和热 学行为模拟方法， 还 包括： 将芯片的外延层作为一个分层， 芯片的衬底层被分为多个分层， 焊料层作为另一个分 层， 铜板层作为另一个分层； 根据电学 特性建立器件总电学模型； 根据芯片的衬底层厚度、 芯片的衬底层掺杂 浓度、 芯片的有源区面积、 芯片的半导体材 料的电子迁移率、 电阻率依赖于材料温度、 掺杂浓度的函数关系建立芯片衬底层的总电学 模型； 根据所述衬底层的每 个分层的厚度建立所述衬底层的每 个分层的电学模型； 以及 从器件总电学模型中扣除所述衬底层的总电学模型， 得到芯片的外延层的电学模型。 6.如权利要求5所述的半导体器件的电学和热学行为模拟方法， 建立器件的电学模型权　利　要　求　书 1/4 页 2 CN 114254483 A 2还包括： 识别 芯片的外延层的电学特性 曲线上的关键点， 并通过多项式函数拟合每两个关 键点之间的曲线， 得到所述外延层的电学 特性的解析表达式。 7.如权利要求4所述的半导体器件的电学和热学行为模拟方法， 其中建立器件的热学 模型包括： 根据热阻抗特性识别出构成器件的各层材 料在某个温度下的热阻和热容 值； 根据芯片的外延层厚度、 芯片的衬底层厚度、 芯片的半导体材料、 封装结构的焊料、 铜 板材料的热导率、 体积比热容依赖于材料温度的函数关系和每个分层的厚度计算出每个分 层的热学模型。 8.如权利要求4所述的半导体器件的电学和热学行为模拟方法， 其中建立电学支路包 括： 分别用一个电学元件代表器件的每个分层， 该电学元件以其对应分层温度和流经自身 的电流为输入， 并输出自身两端的压降； 通过计算该电学 元件的电压和电流的乘积得到该电学 元件的发热功率； 以及 将不同分层所对应的电学元件按照其在器件结构中的空间顺序串联连接， 获得所述电 学支路。 9.如权利要求4所述的半导体器件的电学和热学行为模拟方法， 其中建立热学支路包 括： 用一个热阻和一个热容来代表器件的每个分层， 将不同分层之间所对应的热阻和热容 级联连接， 将某个电学元件的发热功率以发热功率源的形式挂载在对应的结点上， 并保持 每个分层所对应的热容总是比热阻更靠 近发热功率源。 10.如权利要求9所述的半导体器件的电学和热学行为模拟方法， 其中当仅 考虑所述某 个电学元件的发热功 率时， 将所述某个电学元件的发热功率以发热功率源的形式挂载在对 应的结点上， 并保持每个分层所对应的热容总 是比热阻更靠近发热功率源， 获得仅考虑所 述某个电学元件的发热功率时模型 的热学支路； 当考虑的某个电学元件 改变时， 该考虑的 某个电学元件在热学支路中对应的发热功率源所挂载的结点相应的改变， 同时热学支路中 各分层所对应的热阻、 热容的连接关系也改变。 11.如权利要求1所述的半导体器件的电学和热学行为模拟方法， 电学支路和热学支路 之间存在电热耦合关系包括： 外加电流激励流进电学支路， 在电学支路的各个电学元件上产生相应的压降和发热功 率； 每个电学元件的发热功率以发热功率源的形式作用于热学支路， 在各结点产生相应的 温度响应； 电学支路中的所有电学元件的发热功率产生温度响应相互叠加， 得到总温度响应； 以 及 总温度响应反作用于电学和学支路， 改变其电学和热学特性， 进而改变电学支路产生 的发热功率和热 学支路在发热功率源下的响应。 12.如权利要求1所述的半导体器件的电学和热学行为模拟方法， 电学支路和热学支路 之间存在电热耦合关系包括： 电学支路和热 学支路之间存在信息的双向流动， 包括： 热学支路读取电学支路的发热功率信息， 用于计算各 结点温度；权　利　要　求　书 2/4 页 3 CN 114254483 A 3