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Comsol碳化硅SiC芯片电热耦合计算

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关键词:

碳化硅;电-热耦合;仿真模型;数值计算

 
   

01

碳化硅芯片

碳化硅,是一种无机物,化学式为SiC,是用石英砂、石油焦(或煤焦)、木屑(生产绿色碳化硅时需要加食盐)等原料通过电阻炉高温冶炼而成。碳化硅是一种半导体,在自然界中以极其罕见的矿物莫桑石的形式存在。自1893年以来已经被大规模生产为粉末和晶体,用作磨料等。在C、N、B等非氧化物高技术耐火原料中,碳化硅是应用最广泛、最经济的一种,可以称为金钢砂或耐火砂。

碳化硅有黑碳化硅和绿碳化硅两个常用的品种,都属α-SiC。黑碳化硅含SiC约95%,其韧性高于绿碳化硅,大多用于加工抗张强度低的材料,如玻璃、陶瓷、石材、耐火材料、铸铁和有色金属等。绿碳化硅含SiC约97%以上,自锐性好,大多用于加工硬质合金、钛合金和光学玻璃,也用于珩磨汽缸套和精磨高速钢刀具。此外还有立方碳化硅,它是以特殊工艺制取的黄绿色晶体,用以制作的磨具适于轴承的超精加工,可使表面粗糙度从Ra32~0.16微米一次加工到Ra0.04~0.02微米。

碳化硅由于化学性能稳定、导热系数高、热膨胀系数小、耐磨性能好,除作磨料用外,还有很多其他用途,例如:以特殊工艺把碳化硅粉末涂布于水轮机叶轮或汽缸体的内壁,可提高其耐磨性而延长使用寿命1~2倍;用以制成的高级耐火材料,耐热震、体积小、重量轻而强度高,节能效果好。低品级碳化硅(含SiC约85%)是极好的脱氧剂,用它可加快炼钢速度,并便于控制化学成分,提高钢的质量。此外,碳化硅还大量用于制作电热元件硅碳棒。

   

图1. SiC晶圆片

   

02

物理模型

根据SiC芯片的几何尺寸绘制Comsol三维模型,具体简化模型如图2所示。计算过程需设置计算材料的导热系数、比热容、密度、电导率和相对介电常数,为了结果的准确性,以上参数均从相关论文资料以及现有实验数据中获得,如图3所示。

   

图2. 物理模型

   

图3. 材料参数

   

03

物理场边界条件

计算模型选择电流场和传热场耦合的电磁热模块进行建模,SiC芯片加载30A电流,底部接地,同时顶部设置强制对流换热条件,换热系数取6000W/(m2·K),其余边界设置为自然对流换热边界,换热系数取15W/(m2·K),详细物理场边界条件设置如图4所示。

   

图4. 物理场边界条件

根据有限元法的求解原理,剖分越精细,求解越准确,数值计算前通过网格划分对模型计算区域进行离散化处理,采用非结构网格对模型进行划分,网格质量分布如图5所示。

   

图5. 计算网格质量分布

   

04

结果展示

计算模型采用稳态全耦合求解器进行求解,通过计算得到电势、电场和温度分布如下所示。

   

图6. 电势分布

   

图7. 电场分布

   

图8. 电场线分布

   

图9. 温度分布

   

图10. 等温线分布

供稿丨电子F430

编辑丨小苏      

审核丨赵佳乐   

来源:Comsol有限元模拟
Comsol化学半导体光学电子芯片电场材料控制
著作权归作者所有,欢迎分享,未经许可,不得转载
首次发布时间:2024-06-23
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