含石墨烯层的半导体功率器件的电—热—力特性研究

论文摘要

随着三维立体封装的发展,功率器件的功率密度随集成度的增加而不断提高,其中半导体功率器件的可靠性方面的问题越来越突出,相应地,它的电-热-力特性研究就显得非常重要。该硕士论文主要基于混合非线性有限元方法进行含石墨烯层的半导体功率器件的电-热-力仿真分析研究。考虑到材料参数的温变特性,用直接迭代法求解电-热-力之间的非线性耦合问题。基于有限元算法,利用时间差分代替时间微分的方式,成功解决了电-热-力问题中稳态和瞬态的求解。基于典型算例,对比了商用仿真软件以及其它论文的结果,验证了该算法针对含石墨烯层的多栅指HEMT（高电子迁移率晶体管场效应管）这一模型的仿真精度。进一步地,应用上述算法,该硕士论文深入地研究了含石墨烯层的多栅指HEMT的稳态和瞬态的电-热-力特性。研究表明,石墨烯层可以明显降低多栅指HEMT的最高温升以及温升产生的热应力。论文中分别比较了含石墨烯层的多栅指HEMT的在不同条件下对应的数值结果,对石墨烯层的合理应用提供了明确的指导。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 论文的背景
• 1.1.1 三维立体封装技术的发展
• 1.1.2 半导体功率器件的面对的挑战
• 1.1.3 石墨烯层在半导体功率器件中的应用现状
• 1.1.4 含石墨烯层的半导体功率器件的电-热-力分析现状与研究意义
• 1.2 论文主要工作
• 第二章 基于混合非线性有限元方法的电-热-力分析的方法
• 2.1 电-热-力分析的原理
• 2.1.1 电-热-力分析的概述
• 2.1.2 电-热-力分析的基本物理方程
• 2.1.3 电场、热场及应力场耦合关系
• 2.2 混合非线性有限元方法的原理
• 2.2.1 有限元方法的概述
• 2.2.2 有限元方法的数学基础
• 2.2.3 传统有限元方法的改进
• 2.2.4 混合非线性有限元法的概述
• 2.3 混合非线性有限元法的实现过程
• 2.3.1 电-热-力分析的前处理
• 2.3.2 电-热-力分析中方程组的空间和时间离散
• 2.3.3 矩阵方程求解
• 2.4 电-热-力分析程序的设计与验证
• 2.4.1 电-热-力分析程序的设计
• 2.4.2 电-热-力分析程序的验证
• 2.5 本章小结
• 第三章 含石墨烯层的半导体功率器件的稳态电-热-力分析
• 3.1 AlGaN /GaN 多栅指HEMT 模型介绍
• 3.2 AlGaN /GaN 多栅指HEMT 热场稳态分析
• 3.2.1 加入石墨烯层的稳态热分析
• 3.2.2 改变仿真条件对热效应的影响
• 3.3 AlGaN /GaN 多栅指HEMT 热应力的稳态分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 含石墨烯层的半导体功率器件的瞬态电-热-力分析
• 4.1 周期梯形电压脉冲作用下的瞬态电-热-力分析
• 4.2 人体静电脉冲作用下的瞬态电-热-力分析
• 4.3 电磁脉冲作用下的瞬态电-热-力分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 含石墨烯层的半导体功率器件的热阻分析
• 5.1 含石墨烯层的半导体功率器件的热阻模型
• 5.2 含石墨烯层的半导体功率器件的热阻仿真分析
• 5.2.1 半导体功率器件的热阻分析
• 5.2.2 加入石墨层的热阻分析
• 5.3 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 研究总结
• 6.1.1 本论文的主要结论
• 6.1.2 本论文的主要创新点
• 6.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文
• 附件