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。     

功率模块封装的电–热–力多目标优化设计

随着功率模块的广泛应用和宽禁带器件的快速发展,功率半导体领域急需低感、低热阻和高可靠的功率模块封装理论和方法。针对功率模块内电–热–力的多物理场耦合规律,从电–热、热–力耦合的角度,提出寄生电感、结–壳热阻、功率循环和温度循环寿命的量化表征方法,揭示寄生电感、热阻和可靠性之间的相互制约关系,提出功率模块封装的多目标优化设计方法,并利用快速非支配排序遗传算法(non-dominated sorting genetic algorithm II,NSGA-II)进行求解,获得该多目标优化问题的Pareto前沿解。然后,详细分析焊料、陶瓷、基板等常用封装材料对功率模块性能的影响,并获得功率模块封装材料的参数最优配合关系,为功率模块的封装设计提供了新的理论方法。     

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。     

多芯片组件基板的热效应分析

针对大功率多芯片模块,建立了简化传热模型,利用有限元数值方法,对其热阻和温度场进行了稳态和瞬态分析.模拟结果表明:模块的散热方式以热传导为主.由芯片到外壳底面的热通路为主要散热途径,采用导热性能好的基板是非常有效的散热方案:绝缘层热阻占整个基板热阻的65%;模块设计时要尽量减小功率互连引线的寄生电感和电阻.合理安排功率管芯位置,要求布线尽量短而宽.多个功率芯片要尽量均匀分布于基板上,以此降低结温,避免热集中现象.     

不同基板的GaN器件集成模块传热分析及热优化

分别对基于3种基板,即印刷电路板(PCB)、覆铜陶瓷板(DBC)及低温共烧陶瓷板(LTCC)的氮化镓(GaN)器件集成模块的传热性能进行对比分析。结果表明,DBC模块的结-空气热阻最低,较高的是LTCC模块,最高是PCB模块。在自然对流情况下,DBC模块的结-空气热阻比PCB模块低约20%,强制对流情况下低约50%。LTCC基板相对于常用PCB基板及DBC陶瓷基板优势不显著。设计制造了基于PCB基板的GaN器件降压转换器集成模块,并对其传热性能进行热仿真及实验研究。根据热仿真模型,分析了热通孔对传热的强化作用及平行布置时器件之间的间距对其传热性能的影响。结果显示通过在PCB基板上打热通孔可显著提高模块的传热性能,从无通孔变为有通孔(通孔面积为10%芯片面积),即可使模块的结-空气热阻降低12%。     

关于集成功率模块热阻的仿真分析

分析了混合封装的电力电子集成模块的热路模型,并且仿真得出了结壳热阻Rth-jc的s数值仿真结果.讨论了DBC大小,铜基板大小、形状与结壳热阻的关系,为功率模块的结构设计提供了参考.     

压接型IGBT器件与焊接式IGBT模块热阻测试方法对比研究

压接型IGBT器件不仅封装形式不同于焊接式IGBT模块,而且工作条件也有一定的差别,这些差异可能最终导致两种器件的热阻测试方法也有差异。通过两种热阻测试方法(传统热电偶法和瞬态双界面法)对焊接式IGBT模块和压接型IGBT器件进行热阻实验对比分析,总结出适用于压接型IGBT器件的热阻测试方法。传统热电偶法由于需要通过放置热电偶测量被测器件的壳温,只适用于小紧固力作用下的焊接式IGBT模块结到壳热阻值的测量,而不适用于强外部作用力下的压接型IGBT器件结到壳热阻值的测量。瞬态双界面法由于不需要通过热电偶测量被测器件的壳温,不仅适用于焊接式IGBT模块结到壳热阻值的测量,也适用于压接型IGBT器件结到壳热阻值的测量。     

基于RCP封装的芯片模型电热模拟

基于集成电路重分布封装技术(redistributed chip packaging,RCP)的发展,通过提取芯片封装体的具体参数,建立并优化了RCP芯片的热学模型。采用有限元的方法计算了该模型在一定热耗散功率下,施加不同风速条件时的温度分布情况,结果表明:强制对流条件的施加显著增强了RCP芯片封装体的散热能力,4m/s的风速可使其系统热阻降低58%,但是随着风速的增大,其影响不断减弱。所得出的具体风速与芯片结温的关系,可为RCP封装技术的散热设计提供有价值的参考。     

散热底板对IGBT模块功率循环老化寿命的影响

功率半导体模块通常采用减小结壳热阻的方式来降低工作结温,集成Pin-Fin基板代替平板基板是一种有效的选择。两种封装结构的热阻抗特性不同,可能对其失效机理及应用寿命产生影响。针对平板基板和集成Pin-Fin基板两种常见车规级IGBT模块进行了相同热力测试条件（结温差100 K,最高结温150℃）下的功率循环试验,结果表明,散热更强的Pin-Fin模块功率循环寿命低于平板模块。失效分析显示,两者失效模式均为键合线脱附,但Pin-Fin模块的键合失效点集中在芯片中心区域,而平板模块的键合失效点则较为分散。基于电-热-力耦合分析方法,建立功率循环试验的有限元仿真模型,结果表明,Pin-Fin模块的芯片温变梯度更大,芯片中心区域键合点温度更高,使芯片中心区域的键合点塑性变形更大,导致其寿命较平板模块更短,与试验结果吻合。     

一种考虑热扩散和热耦合的IGBT模块热阻抗模型

针对传统热等效电路模型对IGBT模块结温计算误差较大的问题,提出一种基于传热研究的IGBT模块等效热阻抗模型。通过对IGBT模块内部传热研究,以热流密度变化规律确定热扩散角,由此计算出热网络参数并建立改进的单芯片Cauer网络等效电路模型。然后在此基础上,考虑多芯片之间的热耦合效应,计算出自热热阻和耦合热阻并建立IGBT模块热阻抗矩阵,利用线性叠加原理可对各芯片的结温进行预测计算。最后,将等效热阻抗模型计算出的结温与有限元仿真值进行比较,验证了该模型的有效性与准确性。     

热电池热模型的研究

从热电池的基本工作原理出发,研究了热电池放电过程中热量的产生、传递、散失变化特征.并通过计算机软件,将电池模型进行网格划分,依据热量平衡原理,建立电池的热传导方程,利用"有限元法"动态模拟电池放电热过程特征与规律.并通过对电池表面以及内部温度测量进行比较分析,证明了该热模型能够正确地模拟电池放电过程的温度变化.     

计算机辅助电路板热分析热设计及热测试集成平台

介绍电子设备温升的主要原因。提出电路板设计、分析一体化的思想，建立计算机辅助电路板热分析、热设计及热测试集成平台。该集成平台的研制为电子产品设计人员，可靠性工程人员解决电子设备过热问题提供了并行环境。     

隔热与阻热技术在日本节能中的发展与应用

在节能减排的背景下,为降低热能损失,隔热与阻热技术的发展越发显现其重要性。分析日本近年来能耗现状与发展隔热阻热技术的必要性,从原理上对隔热阻热技术进行分析,重点介绍隔热与阻热技术在日本节能领域中的应用实例。实例证明,隔热与阻热技术可以很好地节约能源、降低能耗与二氧化碳的排放,值得推广应用。     

电力电缆运行过程中的热机械性能变化

透过"热胀冷缩"和塑性变形这两个基本物理性能对电力电缆运行时热机械性能进行分析;简述产生的原因和危害;本文重点是将导体与绝缘材料的轴向热伸缩变化和热应力进行分析,简述对电缆使用和敷设过程产生的影响,以及在安装使用时需采取的策略。     

地下电缆敷设的回填方法

描述地下电缆铺设时土壤回填方法及回填材料选择对电缆线路安全运行的影响。介绍如何选择合适的热回填法及液态热回填概念。给出详细的土壤成份及其热阻系数，对电缆热状态调查提出建议，并说明如何考虑土壤的热稳定性问题。     

电力电缆运行过程中的热机械性能变化

电力电缆载荷工作时, 处于一定温度, 具有热胀冷缩和塑性变形性能, 因此将产生热机械性能变化, 主要表现为热伸缩和热应力变化, 这严重危害电缆及附件的安全运行。通过对导体与绝缘材料的轴向热伸缩变化和热应力的计算, 研究了热机械性能变化对电缆使用和敷设过程的影响, 简述了电缆及附件在设计、生产及敷设时需采取的措施。     

应用瞬态热路法计算直流电磁铁的温升

建立了直流电磁铁的温度场模型，通过对温度场的分析，建立直流电磁铁的热路数学模型，研究了电磁铁中热的流动，与温度场的计算结果进行对比，并用实验加以验证。     

电源控制器热设计方法

热设计是电子设备可靠性设计最主要内容之一.结合当今通信卫星发展趋势分析了空间卫星用电源控制器的工作热环境及热产生机理,阐述了电源控制器的热控制方法,指出通过元器件的选择、电路设计和结构设计等热设计方法可以减少温度对其可靠性的影响.结合了近来逐渐应用广泛的表面贴装技术,论述了电源控制器在表面贴装器件使用上的热设计方法.     

热双金属元件在小型热断路器中的应用分析

应用于小型热断路器的两种热双金属元件一直螺旋型和U型,通过其热变形产生的推力使热断路器的四连杆机构失去稳态,从而分断电路。介绍了结构形式、材料的选取。论述了热双金属热推力的计算,脱扣力的校核等。     

长寿命热电池保温材料的研究

对用于长寿命热电池的气相SiO_2复合保温材料进行了详细研究。所研制的保温材料在500 ℃,密度为0.265 g/cm3时,导热系数为0.062 9 W/m·k(热线法);测试温度上升曲线的实验表明性能接近美国同类材料Min-K的水平。研究表明,这种材料最主要的影响因素是材料密度和制备工艺。