LED散热器散热性能优化分析

针对球泡类LED照明灯具产品开发,为了解决散热问题,需要对散热器进行优化,本文设计了四种不同结构的散热器,并用热分析软件对散热效果分别进行了模拟仿真,仿真结果表明,在静态常温空气环境中,散热器的结构相同时,散热面积是影响散热性能的主要因素,圆形孔的散热性能优于正六边形孔的散热性能,良好的热传导会大大提高散热器的散热性能.     

大功率LED封装热性能因素的有限元分析

针对大功率LED封装器件散热性能的影响因素,重点利用有限元ANSYS软件模拟分析了环境温度、芯片衬底、光电转换效率、导热胶、介电层厚度和空气对流系数等对LED封装散热效果的影响.这些因素对热性能影响的对比分析为提高热设计性能和制定封装制造工艺提供了参考和尺度.     

大功率模块双面散热封装热设计与特性研究

随着半导体功率器件的使用环境和性能要求越来越高,器件散热能力要求也随之提高。器件散热问题导致的失效占了总失效的一半以上,而双面散热封装是提高器件散热能力的有效途径之一。因此,本文针对大功率模块的双面散热封装,利用有限元计算的仿真手段进行了模块整体的热设计与特性研究。首先,分析了热对流系数对模块最高温度的影响;其次,对比分析了单双面散热以及不同形状散热片对散热的影响;另外,对比分析不同焊料及金属厚度对散热的影响;最后,对优化模型进行了热应力分析,从而完成模块的热设计与热管理。研究结果对双面封装的热设计具有一定参考意义。     

高压大功率芯片封装的散热研究与仿真分析

以工作电压为70V、输出电流为9A的高压大功率芯片TO-3封装结构为例，首先基于热分析软件Flo THERM建立三维封装模型，并对该封装模型的热特性进行了仿真分析。其次，针对不同基板材料、不同封装外壳材料等情况开展对比分析研究。最后研究封装体的温度随粘结层厚度、功率以及基板厚度的变化，得到一个散热较优的封装方案。仿真验证结果表明，基板材料和封装外壳的热导率越高，其散热效果越好，随着粘结层厚度以及芯片功率的增加，芯片的温度逐渐升高，随着基板厚度的增加，芯片温度降低，当基板材料为铜、封装外壳为BeO，粘结层为AuSn20时，散热效果最佳。     

基于Flotherm软件的退役电池箱设计

基于动力电池热效应模型,通过Flotherm热仿真软件和Solid Works结构建模软件,针对退役电池子模块、退役电池模组、退役电池储能系统(退役电池箱),分析研究了影响退役电池箱散热性能的若干因素——电池单体摆放方式、电池间距、风道结构等。仿真结果表明,采用电池单体卧式摆放、电池间距6 mm的布局方式,且采用下部并行进风、上部并行出风风道结构的退役电池箱具有优异的散热性能,箱内各电池单体间隙最高工作温度小于45℃,温差小于5℃,符合工程化应用需求。     

压接式IEGT芯片布局对其温升的影响

压接式电子注入增强型门极晶体管PP-IEGT(press pack-injection enhanced gate transistor)封装内采用多芯片并联结构,芯片间的布局对器件温升与稳定性有着重要影响。在现有的对齐阵列布局下,芯片间严重的热耦合效应会导致器件结温较高,因此提出一种交错阵列的圆形布局。基于有限元热稳态仿真分析,对比了2种布局下的芯片温度分布,以及封装内各层组件的温度差异;同时,考虑不同功率损耗和外部散热条件的影响,对2种布局下各层组件温度变化进行了讨论。结果表明,提出的交错阵列布局可有效改善热耦合效应,芯片上的热量得到更好地耗散。此外,各芯片和器件整体的温度分布均匀性得到了提高,为更大电流参数PP-IEGT的芯片布局设计和稳定工作提供了参考。     

车灯热设计中固态照明精细化结构建模研究

作为新一代半导体光源,包括发光二极管(LED)和激光二极管(LD)在内的固态照明(SSL)光源已广泛应用于汽车大灯。SSL光源具有使用寿命长、体积小、转换效率高、低电压的直接供电等优点。本文分析了车灯用LED和LD的封装级结构,指出了其结构对散热性能的影响,发现固晶层(DA)和陶瓷基板对SSL光源的热性能有显著影响。根据模组封装的实际结构,对SSL光源模组进行了精细化的建模,并将其应用于CX53型前照灯的整灯热分析;根据模拟结果中各部件的高温点位置,利用热电偶、数据采集器等测试仪器对CX53型前照灯进行测试。通过对实验和仿真结果的对比分析,发现精细的SSL光源结构建模可以提高前照灯的热设计分析精度。     

芯片封装参数对功率模块热特性影响的研究

由于温度分布不均匀以及封装中各层材料之间的热膨胀系数不同,使功率模块在工作中产生交变的热应力,造成焊层疲劳、键合线脱落等失效形式,因此研究模块的热特性尤为重要。热的测量是电力电子系统中最困难的工作之一,对封装结构进行电-热-力精确的仿真分析,能够准确了解对器件不同部位的温度、应力分布。采用基于电-热-力多物理场的有限元仿真,研究了封装材料、封装参数和封装结构对功率器件的温度、热阻、热应力这些热特性的影响,为优化封装设计,最终提高功率模块可靠性提供了一定的参考。     

基于GaN的3.5 kVA单相逆变电源研制

为了满足动车组列车对车辆设备轻量化的要求,研制一种容量为3.5 kVA的自然散热型车载单相逆变电源,并对其散热器的散热性能进行系统分析以提高该电源的散热效率从而降低工作温度以保证系统的可靠性.首先,基于热损耗理论、计算器件的功率损耗;然后,运用热分析软件ICEPAK对散热器翅片的厚度、高度、间距和基板厚度进行参数化仿真,再综合该电源结构强度和重量以确定散热器结构的最佳方案;最后,按照车载单相逆变电源设计容量和最优散热器结构加工样机进行温升和输出性能测试.实验结果表明,该电源的仿真温度与实验温度的误差在7％以内,证明了结构优化的合理性和数值模拟的可行性,同时稳定的、高品质的电源输出特性验证了电气系统和散热系统的可靠性.     

关于影响发光二极管寿命几个方面因素的探讨

针对发光二极管的寿命问题,本文主要结合实际工作及通过试验提出发光二极管本身有如下几点对其使用寿命有影响:封装树脂耐温性、电极防护可靠性、焊盘散热结构、绑定可靠性。同时,本文针对如上问题提出相应的建议技术管控措施。     

封装技术对功率半导体模块性能的影响

不同封装技术对功率半导体模块的电气性能、散热性能和可靠性有不同的影响。分析了模块寄生电感对绝缘栅双极型晶体管(IGBT)开关特性和开关损耗的影响,结合优化的门极开通和关断电阻,将模块的寄生电感从20 nH降低至10 nH可以使IGBT的开关损耗减小20%～30%。通过热阻的方法分析了IGBT模块散热系统中不同材料对IGBT散热的影响,其中导热硅脂和模块陶瓷衬底对模块的散热影响较大,从导热介质、衬底材料、芯片大小和间距及基板结构方面阐述了优化模块散热性能的方法。不同材料的热膨胀系数不匹配是导致模块老化失效的主要原因,阐述了绑定线连接、焊接层疲劳的机理和现象,介绍了提高模块封装可靠性和寿命的一些新材料和新工艺。     

基于流固耦合模型的永磁耦合器导体铜盘散热研究

针对永磁耦合器在运行时导体铜盘侧产热较大而使装置无法正常工作的问题,提出一种能够有效提高导体铜盘散热能力的结构。首先,基于流固耦合数学模型和传热学理论方程,通过有限元仿真计算了不同转差及不同气隙长度下的永磁耦合器的导体铜盘温度分布,并将仿真结果与试验测试结果进行对比,验证了仿真计算方法的准确性。其次,针对导体铜盘温升过高,热量无法导出的问题,提出一种在端盖外侧添加导风散热片的结构,并仿真分析不同形状的散热片对散热效果的影响。最后,仿真分析了导风散热片的高度、厚度以及数量对导体铜盘温升的影响,进而得到导风散热片设计参数的最优区间,为永磁耦合器的风冷散热结构设计提供了科学依据。     

压接式SiC MOSFET模块

本文介绍了一种适用于SiC MOSFET的压接式封装方法。针对SiC MOSFET芯片面积较小的特点,使用弹性压针实现SiC MOSFET芯片上表面的压力接触。由于散热器同时也是电流通路,为减小由散热器引入的寄生电感,采用了一种厚度较薄且具有良好散热性能的微通道散热器。本文介绍了研制的压接式SiC MOSFET样品。通过仿真和实验评估了样品的电、热特性,验证了所提出封装方案的可行性。     

车用电机控制器的液体冷却特性

针对电机控制器的液体冷却特性研究,根据不同翅片结构、散热面积、冷却介质、冷却介质流量、散热材料提出了10种散热方案,以期望找到具有高换热能力,同时拥有较低压降的散热方案。为研究各参数对散热器散热效果的影响,对各方案在额定和峰值两种工况下的散热性能进行热流固耦合仿真计算,计算结果表明,方案10具有最好的综合散热性能。最后,利用不同参数的仿真结果得到基于车用电机控制器的散热优化方法。     

基于功率型LED散热技术的研究

散热制约了LED功率的进一步提高。本文在分析功率LED受热效应影响的基础上,从改进LED结构角度来解决散热问题。芯片采用倒装焊结构,可降低热阻,提高散热能力,对倒装焊结构的热能扩散途径进行了阐述,指出采用导热性能优良的封装材料是提高散热效率的重要途径。并对密封材料,键合材料,散热基板对散热的影响作了详细的分析,最后介绍了采用热沉散热的最新进展,并提出了今后的研究方向。     

不同封装形式压接型IGBT器件的电-热应力研究

基于多物理场建模对比分析全压接和银烧结封装压接型IGBT器件的电-热应力。首先根据全压接和银烧结封装压接型IGBT的实际结构和材料属性,建立3.3 kV/50 A压接型IGBT器件的电-热-力多耦合场有限元模型;其次仿真分析额定工况下2种封装IGBT器件的电-热性能,并通过实验平台验证所建模型的合理性;然后研究了3.3 kV/1 500 A多芯片压接型IGBT模块的电-热应力,并探究了不同封装压接型IGBT器件电-热应力存在差异的原因;最后比较了2种封装压接型IGBT器件内部的电-热应力随夹具压力和导通电流变化的规律。结果表明银烧结封装降低了压接型IGBT器件的导通压降和结温,提升了器件散热能力;但银烧结封装也增大了IGBT芯片表面的机械应力,应力增大对IGBT器件疲劳失效的影响亟需实验验证。     

LED球泡灯塑包铝散热器的设计与实验

利用有限元CFD仿真软件对一款LED塑料包裹铝制散热套件(以下简称"塑包铝")球泡灯进行热仿真。通过对比实际测量温度及仿真温度验证所建模型及模拟步骤的正确性,并在此基础上,采用正交优化设计方法分析了塑料厚度、铝厚度等各个关键因素对散热和质量的影响,综合两者考虑得出了最佳参数组合。结果表明:通过正交试验优化后,虽然散热器质量有了一定增加,但是LED的基板温度由原来的96.05℃降为88.85℃,下降了7.2℃,散热效果得到明显改善。     

大功率发光二极管光源模块的封装热分析

建立了大功率发光二极管（Light EmittingDiode,简称LED）光源模块的一种封装结构,采用热通路和电通路分离的改进方案,并用有限元方法对其进行热分析,比较了不同LED间隔和功率、基板底面不同对流强度等情况下光源模块的散热性能,仿真结果显示,在使用大功率（〉1W）LED时,自然对流不能满足光源模块的散热要求,必须加载强制对流装置。     

大功率直流接触器温度场仿真及影响因素分析

对大功率直流接触器的温度场进行了三维有限元热-电耦合仿真.在建立热分析模型时通过热源等效处理,综合考虑了动、静触头间接触电阻和电磁系统中线圈的发热对接触器温升的影响.在仿真中基于热相似理论计算了接触器各向表面的对流散热系数,考虑了连接铜板对散热的影响,并利用试验对仿真结果进行了验证.基于该模型,进一步研究了接触压力、接触墩外露表面的散热面积、外壳的厚度和材料、连杆材料对接触器温度场分布和触头温升的影响规律,并利用数据拟合得到了触头温升与接触压力的函数关系,为接触器的性能改进和提升提供了理论依据.该研究成果也适用于其他同种类型的开关电器.     

高亮度LED球泡灯研制及其温升分析

输入LED的电能大部分转化为热能,导致在其结区产生高温,使用大功率LED阵列的高亮度LED灯在LED阵列结区产生的温度更高,而结区高温会严重影响到高亮度LED灯发光的稳定性和使用寿命,因此良好的热结构设计和散热性能是研制高亮度LED的关键问题。研制了一种高亮LED球泡灯,以替代照明用白炽灯。设计了该球泡灯的硬件结构和恒流驱动电路;使用流模拟仿真并分析了灯体内LED阵列的发热及散热情况;实验测试了该球泡灯使用时,灯体内实际散热情况,仿真结果与实验结果吻合良好。仿真与实验结果均表明该球泡灯散热结构合理,散热性能良好,可以满足稳定地高亮照明要求。