IGBT模块电—热—力耦合与失效分析

发布时间：2017-10-18 18:39

  本文关键词：IGBT模块电—热—力耦合与失效分析

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【摘要】：近年来,随着新能源发电、轨道交通、智能电网、电动汽车等新兴产业的蓬勃发展,IGBT功率模块也得到了前所未有的广泛应用。新能源技术的发展对功率变流装置的性能提出了更高的要求,IGBT模块作为变流器的核心器件,其可靠性受到了越来越广泛的重视。现有研究表明,恶劣的工作环境加速了器件的老化和失效,因此,深入研究IGBT模块的老化和失效机理是功率器件应用中需亟待解决的问题。本文结合实际情况、理论分析和仿真,利用多物理场耦合分析方法对IGBT模块进行可靠性分析,主要有以下两个方面的研究成果:以IGBT模块的键合线为研究对象,建立IGBT模块电-热-力多场耦合模型。论文对正常工作和部分键合线脱落时的热场和应力场进行了综合分析,得出剪切力是键合线疲劳和失效的直接原因,键合线失效的主要形式为键合线脱落。铜键合线比传统铝键合线具有更好的电学、热学和力学特性。论文建立铜键合线模型,通过对比发现铜键合线可以提高模块的可靠性。以IGBT模块的焊料层为研究对象,建立IGBT模块热-力多场耦合模型。论文对无空洞和空洞在不同位置的热场和应力场进行了综合分析,得出焊料层容易从边角处产生裂纹最终导致分层。焊料层空洞影响模块的温度分布,造成局部高温、热斑并烧毁器件。论文对模块在温度循环和功率循环下进行了仿真,拟合出模块的热阻。结果表明温度循环下,模块温度波动随环境温度变化,容易发生焊料层分层。功率循环下,当IGBT工作频率较低时,结温波动较大,容易产生热冲击,对焊料层以及IGBT模块造成破坏。在实际工作中要注意IGBT模块低频工况下的结温波动,减轻热冲击对模块寿命的不利影响。
【关键词】：IGBT模块 多物理场仿真 失效
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN322.8
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-9
• 第一章 绪论9-19
• 1.1 研究背景及意义9-12
• 1.2 国内外研究现状12-17
• 1.3 论文的主要研究内容17-19
• 第二章 IGBT模块电-热-力耦合分析19-31
• 2.1 IGBT模块多物理场耦合分析19-20
• 2.2 IGBT功率模块电场分析20-22
• 2.2.1 模块的导通损耗20-21
• 2.2.2 模块的开关损耗21-22
• 2.3 IGBT功率模块热场分析22-28
• 2.3.1 传热机理22-25
• 2.3.2 三维热传导理论25-26
• 2.3.3 热阻网络26-28
• 2.4 IGBT功率模块应力场分析28-29
• 2.5 电热力耦合29-30
• 2.6 本章小结30-31
• 第三章 基于多物理场的IGBT键合线故障分析31-40
• 3.1 键合线工艺和失效31-33
• 3.1.1 引线键合技术31
• 3.1.2 键合线故障31-33
• 3.2 键合线电-热-力耦合模型33-34
• 3.3 键合线故障后34-36
• 3.4 键合线材料的影响36-39
• 3.5 本章小结39-40
• 第四章 基于多物理场的IGBT焊料层失效分析40-58
• 4.1 焊料层材料特性和失效机理40-46
• 4.1.1 焊料层失效机理40-42
• 4.1.2 IGBT模块的热阻抗42-46
• 4.2 IGBT模块热-力耦合模型46-48
• 4.3 焊料层空洞的影响48-51
• 4.4 焊料层的疲劳失效51-56
• 4.4.1 IGBT模块的温度循环51-52
• 4.4.2 IGBT模块的功率循环52-55
• 4.4.3 焊料层失效55-56
• 4.5 本章小结56-58
• 第五章 总结与展望58-60
• 5.1 全文总结58-59
• 5.2 研究展望59-60
• 参考文献60-66
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果66-67
• 致谢67-68
• 附表68

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本文编号：1056505