车用双面散热功率模块的热-力协同设计

双面散热(DSC)功率模块可以降低封装热阻和寄生参数,是车用电机控制器的发展趋势。然而,双面散热功率模块内的热-力交互作用机制尚不明晰,且缺少热-力协同的设计方法。为了克服热阻与应力之间的相互制约,该文提出一种多目标协同的双面散热功率模块设计方法。建立了双面散热功率模块热学和力学性能的数学模型,表征材料属性和封装尺寸对功率模块性能的影响,并利用有限元分析(FEA)方法进行验证。此外,提出双面散热功率模块的多目标优化设计模型,协同提升功率模块的热-力性能,并给出基于非占优遗传算法的求解方法。最后,基于所提出的多目标协同设计方法,对比研究了封装材料属性对优化设计结果的影响。     

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。     

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。     

2018年第8期“电力电子器件散热与封装”专辑征文启事

<正>本刊拟将2018年第8期辟为"电力电子器件散热与封装"专辑。专题征文范围包括:①电力电子器件封装的有限元模型与多物理场耦合分析;②电力电子器件封装的关键工艺;③电力电子模块的绝缘管理、热管理与电磁管理;④电力电子器件封装可靠性与失效研究;⑤电力电子模块的测试技术与评价方法;⑥针对宽禁带功率半导体的高压、高温、高开关速度的新型封装技术;⑦电力     

2018年第8期“电力电子器件散热与封装”专辑征文启事

正本刊拟将2018年第8期辟为"电力电子器件散热与封装"专辑。专题征文范围包括:①电力电子器件封装的有限元模型与多物理场耦合分析;②电力电子器件封装的关键工艺;③电力电子模块的绝缘管理、热管理与电磁管理;④电力电子器件封装可靠性与失效研究;⑤电力电子模块的测试技术与评价方法;⑥针对宽禁带功率半导体的高压、高温、高开关速度的新型封装技术;⑦电力     

高压大功率压接型IGBT器件封装技术研究综述

高压大功率压接型IGBT器件具有功率密度大、寄生电感低、双面散热、失效短路等优点,是用于智能电网、轨道交通等高压大功率电压源换流装备的理想器件。该文对ABB、Fuji、Toshiba、Westcode等公司的压接型IGBT器件封装技术路线进行介绍和分析,并对现有商业化大功率压接型IGBT器件的特性进行对比。综合已有压接型IGBT器件封装技术的特点与试验测量结果,提出将封装关键技术分为3个部分,并简要介绍各个部分的具体关键技术及研究现状。最后,基于压接型IGBT封装技术特点,结合实际工艺要求,提出一种评估压接型IGBT器件性能的判据,为后续压接型IGBT器件的开发与设计提供参考。     

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.     

压接式IGBT在电力系统应用特性分析

高压大功率绝缘栅双极型晶体管(IGBT)器件主要包括模块式和压接式两种封装类型的器件,模块式IGBT器件在国内已经得到广泛应用;压接式IGBT器件具有双面散热特性、短路失效模式等优良的特性,尤其适用于串联型电压源换流器场合,在电力系统应用领域具有独特的优势。在串联应用时,需要重点考虑串联电压平衡控制、短路保护、抗电磁干扰设计等因素。     

大功率LED散热封装技术研究的新进展

如何提高大功率发光二极管(Light Emitting Diode,简称LED)的散热能力,是LED器件封装和器件应用设计要解决的核心问题.详细分析了国内外大功率LED散热封装技术的研究现状;总结了其发展趋势,并指出了减少内部热沉可能是今后的发展方向.     

大功率LED散热封装技术研究

如何提高大功率LED的散热能力,是LED器件封装和器件应用设计要解决的核心问题。本文详细分析了国内外大功率LED散热封装技术的研究现状,总结了其发展趋势并提出减少内部热沉可能是今后的发展方向。     

用于IGBT模块结温预测的热-电耦合模型研究

随着IGBT模块功率等级及密度的提高,因功率损耗而导致芯片温升加剧进而导致变流系统崩溃的问题愈发突出。对功率器件及散热系统的深入研究有助于功率器件封装设计、器件选型、系统布局以及逆变器的可靠运行。本文通过有限元分析方法对IGBT模块和散热系统的瞬态热阻抗进行了提取,所得结果与厂商数据手册吻合,而且通过所用方法验证了热阻抗曲线的普适性,最后利用热特性RC等效网络建立热-电耦合模型,可对芯片动态结温进行预测。     

双面散热SiC功率模块的可靠性分析和寿命评估

双面散热(double-sided cooling,DSC)封装能大幅降低封装寄生电感和结壳热阻,提升电气装备的功率密度,是SiC功率模块的发展趋势。然而,DSC SiC功率模块的失效机理不明、寿命模型缺失,成为制约其商业化应用的关键瓶颈,亟待技术突破。传统加速老化实验方法的成本较高、耗时较长,不利于产品的快速迭代升级。针对DSC SiC功率模块的可靠性研究,文中提出一种基于有限元的分析方法,基于材料的疲劳老化模型及功率模块的失效判据,建立DSC SiC模块的寿命模型。基于大量功率模块的寿命测试结果,验证了有限元模型的可行性和有效性,相对误差小于6%。此外,详细分析SiC和Si功率模块焊层的应力和蠕变规律,建立不同封装功率模块的寿命模型。结果表明:相对于单面散热封装,DSC封装功率模块的寿命提升一倍。采用相同封装,SiC功率模块的寿命是Si功率模块寿命的30%左右。此外,还详细分析了不同封装材料对DSC SiC功率模块寿命的影响规律。为下一代DSC SiC功率模块的研发与应用,提供有益的参考。     

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。     

SiC、Si、混合功率模块封装对比评估与失效分析

随着SiC器件在新能源发电、电动汽车等领域的快速发展,对定制化、高可靠SiC功率模块的需求日益迫切。然而,现有SiC功率模块大多沿用Si模块的封装技术,存在寄生电感大等问题,无法适应SiC器件的高速开关能力,难以充分发挥SiC器件的优越性能。该文梳理了功率模块的材料选型准则,以及封装工艺方法,给出了自主封装功率模块的测试流程。针对全Si、混合、全SiC功率模块,基于相同的封装技术和测试方法,对比研究了3种功率模块的动态性能和温敏特性,为不同应用需求下的器件选型提供参考。针对全SiC半桥功率模块,提出了开关损耗的数学模型,并利用实验结果验证了其有效性。此外,结合功率模块的大量故障案例建立了数学模型,分析封装失效的机理,为下一代SiC功率模块的封装集成研究提供了有益的经验和思路。     

换流阀用与直流断路器用压接型IGBT器件差异分析

压接型IGBT器件以其耐受电压高、电流密度大、控制功率低、开关速度快以及双面散热等优势成为柔性直流输电系统中换流阀和直流断路器选用的理想器件。由于应用装备的差异,换流阀和直流断路器对于压接型IGBT器件分别提出了低通态压降和高短路关断能力的要求。分析了换流阀用压接型IGBT器件和直流断路器用压接型IGBT器件外部和内部电流、电压、温度和压力的差异,总结了两种器件应用过程中可能存在的主要失效原因,提出了封装设计中需要重点考虑的技术问题。     

2018年第8期“电力电子器件散热与封装”专辑征文启事

正本刊拟将《电力电子技术》杂志2018年第8期开辟为"电力电子器件散热与封装"专辑,以集中反映这一技术领域的最新科研成果,关键技术发展和创新,新方法、新产品的设计、生产和运行经验,国外相关情况和发展趋势。欢迎相关产品生产企业和研究机构的专家学者踊跃投稿。专题的征文范围包括但不限于以下内容:①电力电子器件封装有限元模型与多物理场耦合分析;②电力电子器件封装关键工艺;③电力电子模块绝缘管理、热管理与电磁管理;④电力电子器件封装可靠     

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。     

碳化硅功率器件封装关键技术综述及展望

碳化硅(silicon carbide,SiC)功率器件作为一种宽禁带器件,具有耐高压、高温,导通电阻低,开关速度快等优点。如何充分发挥碳化硅器件的这些优势性能则给封装技术带来了新的挑战:传统封装杂散电感参数较大,难以匹配器件的快速开关特性;器件高温工作时,封装可靠性降低;以及模块的多功能集成封装与高功率密度需求等。针对上述挑战,论文分析传统封装结构中杂散电感参数大的根本原因,并对国内外的现有低寄生电感封装方式进行分类对比;罗列比较现有提高封装高温可靠性的材料和制作工艺,如芯片连接材料与技术;最后,讨论现有多功能集成封装方法,介绍多种先进散热方法。在前面综述的基础上,结合电力电子的发展趋势,对SiC器件封装技术进行归纳和展望。     

利用有限元分析优化功率模块热设计

为解决大功率电源控制器中功率模块的热可靠性问题,根据功率模块的散热原理,分析影响功率模块的散热因素,利用有限元热分析软件I-DEAS-TMG对其进行热分析,得到整个功率模块的温度场分布情况,模拟功率模块中各发热元器件的温升及其相互之间的热耦合情况,根据热分析结果提出热设计方法。最后,根据得出结论对功率模块各发热器件进行重新布局,并经桌面试验证实重新布局后的功率模块就其热可靠性而言更为合理,能有效提高BDR模块的效率。     

基于系统级扇出封装热管理仿真分析

扇出型封装作为当下先进的封装技术,受到各大封测企业的追捧及相关科研人员的关注。扇出封装工艺技术近几年已得到大力发展,但针对扇出型封装散热性能的研究报道却较少。针对射频系统的扇出封装结构,运用数值仿真软件icepak对封装结构建立相应的实体模型,分析结构中的塑封料(EMC)厚度、热源芯片厚度、焊球布局、散热孔等各参数对系统热性能影响。并利用软件提取封装的热阻网络。通过对比仿真结果,得出扇出封装较倒装焊散热能力提高30%～40%,且散热孔、热沉、焊球布局对封装的热性能影响较大。