高速列车IGBT模块基板材料的制备及其导热性能的有限元分析
发布时间：2020-12-25 21:37
随着高铁的不断提速,对电力系统各方面的要求也越来越高。绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT）被称为高速列车“心脏”,控制机车的电力系统,所以其对散热的要求极高。对IGBT模块的散热一直是一个比较棘手的问题,目前人们对散热器的结构、冷媒等方面已经有了深入的研究。此外,对于高导热材料的研究一直是科研中比较重要的一部分。高导热材料作为散热材料应用到电子器件中,对电阻热的传导会起到关键性的作用。特别是对于大功率的电子器件,高导热材料的重要性就显得尤为突出。石墨烯在其二维平面方向上具有很强的导热性。然而目前所制备的石墨烯复合材料的导热性远低于预期,其主要原因是在金属基复合材料当中没有大量高度取向的石墨烯纳米片（Graphene Nano-Platelet,GNP）。本文中,通过真空抽滤、放电等离子烧结技术（Spark Plasma Sintering,SPS）烧结制备出了高度取向的石墨烯纳米片/铜的复合材料。研究结果发现,当石墨烯的体积分数达到35%时,石墨烯在铜基体上建立了大面积高度取向的石墨烯纳米片网格结构,而且其平面方向热导率高达...
【文章来源】：兰州交通大学甘肃省
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
典型的IGBT模块
兰州交通大学硕士学位论文-11-接下来，进行了真空抽滤工艺。所采用的抽滤膜为聚四氟乙烯滤膜(直径50mm，孔径0.45μm)，在抽滤完成后得到了湿润的抽滤块体。所得到的抽滤块体是比较松软的，将抽滤块体在滤纸上保持原状，然后小心地用滤纸把抽滤块体移到试验台上进行自然干燥，干燥时间为24小时。最后是试样的烧结工艺，采用的是1050-SPS烧结炉系统(日本往友石炭有限公司，安装在北京科技大学)。在50MPa的轴向压力下，将石墨烯/铜的抽滤薄片在750℃下烧结5分钟，使石墨烯/铜抽滤薄片固结成块状复合材料。本实验的工艺过程如图2.1所示。图2.1V-GNP/Cu复合材料制备工艺示意图在本论文中，将石墨烯的体积分数作为一个变量，通过对比不同体积分数的石墨烯对实验结果的影响来达到本论文的一个研究目的。将石墨烯体积分数递增范围选为5～38vol%。为了更明确的得到对比结果，还制备了没有真空过滤工艺的GNP/Cu复合材料(漩涡混合后的混合粉末直接进行干燥，且进行相同的SPS过程)，然后将两者进行比较，通过对比实验结果来确定抽滤工艺的必要性。为了便于区分，现将经过真空抽滤后的石墨烯/铜复合材料表示为V-GNP/Cu，将未经过真空抽滤的石墨烯/铜复合材料表示为NV-GNP/Cu。
高速列车IGBT模块基板材料的制备及其导热性能的有限元分析-12-用阿基米德原理测量了样品的体积密度，将体积密度除以理论密度得到相对密度。GNP/Cu复合材料的理论密度由混合物的密度经过计算得到(石墨烯的密度为2.2g/cm3[70]，铜的密度为8.96g/cm3)。如图2.2所示，体积分数为5～35%的V-GNP/Cu复合材料的测量密度与理论值非常接近（约为99%相对密度），表明GNP/Cu复合材料完全致密化了。然而，当石墨烯的体积分数增加到38%时，相对密度反而降低到了96%。这个现象意味着石墨烯的体积分数在38%时，GNP/Cu复合材料中的孔隙度增加了。经过测定，体积分数为38%的GNP/Cu复合材料在平行于石墨烯面方向上的热导率大幅下降到了376W/mK，因此高孔隙率会导致GNP/Cu复合材料热导率的显著降低[71]。经过测定所制备材料的热导率，发现NV-GNP/Cu复合材料与V-GNP/Cu复合材料的热导率变化趋势基本相同。因此，在本论文中仅考虑完全致密的样品（即石墨烯体积分数在5～35%内），这样来消除孔隙的出现对研究的影响。图2.2(a)和(b)分别为V-GNP/Cu复合材料在不同石墨烯体积分数下的测量密度和相对密度2.3石墨烯/铜复合材料的表征分析方法（1）扫描电子显微镜（ScanningElectronMicroscope,SEM）本论文采用的扫描电子显微镜的型号为JSM-6701，用来观察粉体和试样的抛光面、断口的微观形貌。（2）透射电子显微镜（TransmissionElectronMicroscope,TEM）透射电子显微镜、高分辨透射电镜(HighResolutionTransmissionElectronMicroscope,HRTEM)、选区电子衍射(SelectedAreaElectronDiffraction,SAED)均在TecnaiG2F20型显微镜上进行，用来观察石墨烯在GNP/Cu复合材料中的厚度和分布情
【参考文献】：
期刊论文
[1]IGBT模块结温检测与应用研究[J]. 马汉卿. 山东工业技术. 2019(07)
[2]基于风冷的IGBT散热方案设计及优化[J]. 沈丽萍,江健,方亚坤,杨振,候耀东. 低温与超导. 2018(08)
[3]老化试验条件下的IGBT失效机理分析[J]. 赖伟,陈民铀,冉立,王学梅,徐盛友. 中国电机工程学报. 2015(20)
[4]键合线失效对于IGBT模块性能的影响分析[J]. 王春雷,郑利兵,方化潮,韩立. 电工技术学报. 2014(S1)
[5]绝缘栅双极型晶体管失效机理与寿命预测模型分析[J]. 陈明,胡安,刘宾礼. 西安交通大学学报. 2011(10)
[6]车载IGBT器件封装装片工艺中空洞的失效研究[J]. 施建根,孙伟锋,景伟平,孙海燕,高国华. 电子与封装. 2010(02)
[7]高导热率及低介电常数的AlN/PI纳米复合薄膜研究[J]. 郝晓静,党智敏,徐海萍. 功能材料. 2007(10)
[8]混杂填料填充导热硅橡胶性能研究[J]. 周文英,齐暑华,涂春潮,王彩凤,袁江龙,郭建. 材料工程. 2006(08)
[9]疲劳寿命预测方法的研究现状与发展[J]. 袁熙,李舜酩. 航空制造技术. 2005(12)
[10]PCB及元件的温度场有限元分析[J]. 李晓明,吕善伟,高泽溪. 北京航空航天大学学报. 2000(01)
硕士论文
[1]大功率IGBT散热装置的设计及优化研究[D]. 李阳.西安建筑科技大学 2016
[2]典型电子封装结构的热动力学分析与寿命预测[D]. 范平平.南京航空航天大学 2010
本文编号：2938431
【文章来源】：兰州交通大学甘肃省
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
典型的IGBT模块
兰州交通大学硕士学位论文-11-接下来，进行了真空抽滤工艺。所采用的抽滤膜为聚四氟乙烯滤膜(直径50mm，孔径0.45μm)，在抽滤完成后得到了湿润的抽滤块体。所得到的抽滤块体是比较松软的，将抽滤块体在滤纸上保持原状，然后小心地用滤纸把抽滤块体移到试验台上进行自然干燥，干燥时间为24小时。最后是试样的烧结工艺，采用的是1050-SPS烧结炉系统(日本往友石炭有限公司，安装在北京科技大学)。在50MPa的轴向压力下，将石墨烯/铜的抽滤薄片在750℃下烧结5分钟，使石墨烯/铜抽滤薄片固结成块状复合材料。本实验的工艺过程如图2.1所示。图2.1V-GNP/Cu复合材料制备工艺示意图在本论文中，将石墨烯的体积分数作为一个变量，通过对比不同体积分数的石墨烯对实验结果的影响来达到本论文的一个研究目的。将石墨烯体积分数递增范围选为5～38vol%。为了更明确的得到对比结果，还制备了没有真空过滤工艺的GNP/Cu复合材料(漩涡混合后的混合粉末直接进行干燥，且进行相同的SPS过程)，然后将两者进行比较，通过对比实验结果来确定抽滤工艺的必要性。为了便于区分，现将经过真空抽滤后的石墨烯/铜复合材料表示为V-GNP/Cu，将未经过真空抽滤的石墨烯/铜复合材料表示为NV-GNP/Cu。
高速列车IGBT模块基板材料的制备及其导热性能的有限元分析-12-用阿基米德原理测量了样品的体积密度，将体积密度除以理论密度得到相对密度。GNP/Cu复合材料的理论密度由混合物的密度经过计算得到(石墨烯的密度为2.2g/cm3[70]，铜的密度为8.96g/cm3)。如图2.2所示，体积分数为5～35%的V-GNP/Cu复合材料的测量密度与理论值非常接近（约为99%相对密度），表明GNP/Cu复合材料完全致密化了。然而，当石墨烯的体积分数增加到38%时，相对密度反而降低到了96%。这个现象意味着石墨烯的体积分数在38%时，GNP/Cu复合材料中的孔隙度增加了。经过测定，体积分数为38%的GNP/Cu复合材料在平行于石墨烯面方向上的热导率大幅下降到了376W/mK，因此高孔隙率会导致GNP/Cu复合材料热导率的显著降低[71]。经过测定所制备材料的热导率，发现NV-GNP/Cu复合材料与V-GNP/Cu复合材料的热导率变化趋势基本相同。因此，在本论文中仅考虑完全致密的样品（即石墨烯体积分数在5～35%内），这样来消除孔隙的出现对研究的影响。图2.2(a)和(b)分别为V-GNP/Cu复合材料在不同石墨烯体积分数下的测量密度和相对密度2.3石墨烯/铜复合材料的表征分析方法（1）扫描电子显微镜（ScanningElectronMicroscope,SEM）本论文采用的扫描电子显微镜的型号为JSM-6701，用来观察粉体和试样的抛光面、断口的微观形貌。（2）透射电子显微镜（TransmissionElectronMicroscope,TEM）透射电子显微镜、高分辨透射电镜(HighResolutionTransmissionElectronMicroscope,HRTEM)、选区电子衍射(SelectedAreaElectronDiffraction,SAED)均在TecnaiG2F20型显微镜上进行，用来观察石墨烯在GNP/Cu复合材料中的厚度和分布情
【参考文献】：
期刊论文
[1]IGBT模块结温检测与应用研究[J]. 马汉卿. 山东工业技术. 2019(07)
[2]基于风冷的IGBT散热方案设计及优化[J]. 沈丽萍,江健,方亚坤,杨振,候耀东. 低温与超导. 2018(08)
[3]老化试验条件下的IGBT失效机理分析[J]. 赖伟,陈民铀,冉立,王学梅,徐盛友. 中国电机工程学报. 2015(20)
[4]键合线失效对于IGBT模块性能的影响分析[J]. 王春雷,郑利兵,方化潮,韩立. 电工技术学报. 2014(S1)
[5]绝缘栅双极型晶体管失效机理与寿命预测模型分析[J]. 陈明,胡安,刘宾礼. 西安交通大学学报. 2011(10)
[6]车载IGBT器件封装装片工艺中空洞的失效研究[J]. 施建根,孙伟锋,景伟平,孙海燕,高国华. 电子与封装. 2010(02)
[7]高导热率及低介电常数的AlN/PI纳米复合薄膜研究[J]. 郝晓静,党智敏,徐海萍. 功能材料. 2007(10)
[8]混杂填料填充导热硅橡胶性能研究[J]. 周文英,齐暑华,涂春潮,王彩凤,袁江龙,郭建. 材料工程. 2006(08)
[9]疲劳寿命预测方法的研究现状与发展[J]. 袁熙,李舜酩. 航空制造技术. 2005(12)
[10]PCB及元件的温度场有限元分析[J]. 李晓明,吕善伟,高泽溪. 北京航空航天大学学报. 2000(01)
硕士论文
[1]大功率IGBT散热装置的设计及优化研究[D]. 李阳.西安建筑科技大学 2016
[2]典型电子封装结构的热动力学分析与寿命预测[D]. 范平平.南京航空航天大学 2010
本文编号：2938431
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