功率器件IGBT优化设计与振动性能研究
发布时间：2020-12-27 19:31
针对IGBT功率器件在振动环境下的可靠性问题,采用正交试验法构建16组不同的模块结构,利用ANSYS软件对模块进行随机振动分析和优化设计。研究发现对焊接层影响因素由强到弱依次为基板厚度,焊接层厚度和基板大小。周期振动分析表明结构在频率1523.2 Hz处产生共振现象。优化分析过程中随着基板厚度由2.5 mm提高到3.5 mm,焊接层的寿命从646.06 h增加到6797.95 h。研究结果表明参数优化对器件结构设计起到理论指导作用,能够有效提高IGBT器件的使用寿命。
【文章来源】：电子元件与材料. 2020年11期 北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
IGBT模块结构示意图
本次建模采用SolidWorks软件,IGBT模块图如图2所示。本文设计不同结构的IGBT模块,同时使用正交试验来进行分析,找出不同结构件对模块性能的影响,确定通过改变基板厚度、基板大小、焊接层厚度来进行分析,建立三因素四水平正交试验,共有16种模块结构,其中芯片(7 mm×7 mm×0.15 mm)、陶瓷板(30 mm×28 mm×0.38 mm)、DBC铜层(28 mm×25 mm×0.3 mm)的尺寸不变,各模块构件变量尺寸参数如表1所示。
把应变值代入焊接层疲劳寿命计算模型,计算焊接层随机振动载荷下疲劳寿命,结果得到试验1至试验4四组寿命分别为214.5 h,646.06 h,6797.95 h,40574.93 h。分析认为随着基板厚度的增加,焊接层在随机振动激励下的寿命有较大提升。特别是在试验2和试验3中,随着基板厚度由2.5 mm提高到3.5 mm,焊接层的寿命从646.06 h增加到6797.95 h,提高到10倍以上。但在实际生产过程中,不能无限制地增加基板厚度。基板太厚会导致散热通道的延长,热阻也会相应地变大,从而使得模块的散热效率下降;同时,增加基板厚度将使模块的质量增加,同时制造成本也会增加。因此,在结构设计时,根据实际情况,合理增加基板厚度能有效提高焊接层的寿命,元器件的可靠性才会得到相应的提高。图4 各组试验应变云图
【参考文献】：
期刊论文
[1]漫谈半导体材料及异质结器件[J]. 王海龙,潘东,赵建华. 物理. 2018(11)
[2]焊料层空洞对IGBT器件热稳定性的影响[J]. 肖飞,罗毅飞,刘宾礼,夏燕飞. 高电压技术. 2018(05)
[3]基于瞬态热阻的IGBT焊料层失效分析[J]. 陈一高,陈民铀,高兵,胡博容,赖伟,徐盛友. 中国电机工程学报. 2018(10)
[4]计及裂纹损伤的IGBT模块热疲劳失效分析[J]. 江南,陈民铀,徐盛友,赖伟,高兵. 浙江大学学报(工学版). 2017(04)
[5]基于有限元法的IGBT模块焊料层可靠性研究设计[J]. 张科峰,丁伟伟. 电源世界. 2017(01)
[6]IGBT技术进展及其在柔性直流输电中的应用[J]. 于坤山,谢立军,金锐. 电力系统自动化. 2016(06)
[7]焊料层形变对IGBT热阻影响的研究[J]. 王艳丰,张小玲,佘烁杰,田蕴杰. 电子产品可靠性与环境试验. 2015(05)
[8]IGBT模块焊料层空洞对模块温度影响的研究[J]. 徐玲,周洋,张泽峰,陈明祥,刘胜. 中国电子科学研究院学报. 2014(02)
[9]焊层空洞对IGBT模块热应力的影响[J]. 吴煜东,常桂钦,彭勇殿,方杰,唐龙谷,李继鲁. 大功率变流技术. 2014(01)
[10]IGBT模块封装的热性能分析[J]. 丁杰,唐玉兔,忻力,张陈林,胡昌发. 机车电传动. 2013(02)
本文编号：2942348
【文章来源】：电子元件与材料. 2020年11期 北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
IGBT模块结构示意图
本次建模采用SolidWorks软件,IGBT模块图如图2所示。本文设计不同结构的IGBT模块,同时使用正交试验来进行分析,找出不同结构件对模块性能的影响,确定通过改变基板厚度、基板大小、焊接层厚度来进行分析,建立三因素四水平正交试验,共有16种模块结构,其中芯片(7 mm×7 mm×0.15 mm)、陶瓷板(30 mm×28 mm×0.38 mm)、DBC铜层(28 mm×25 mm×0.3 mm)的尺寸不变,各模块构件变量尺寸参数如表1所示。
把应变值代入焊接层疲劳寿命计算模型,计算焊接层随机振动载荷下疲劳寿命,结果得到试验1至试验4四组寿命分别为214.5 h,646.06 h,6797.95 h,40574.93 h。分析认为随着基板厚度的增加,焊接层在随机振动激励下的寿命有较大提升。特别是在试验2和试验3中,随着基板厚度由2.5 mm提高到3.5 mm,焊接层的寿命从646.06 h增加到6797.95 h,提高到10倍以上。但在实际生产过程中,不能无限制地增加基板厚度。基板太厚会导致散热通道的延长,热阻也会相应地变大,从而使得模块的散热效率下降;同时,增加基板厚度将使模块的质量增加,同时制造成本也会增加。因此,在结构设计时,根据实际情况,合理增加基板厚度能有效提高焊接层的寿命,元器件的可靠性才会得到相应的提高。图4 各组试验应变云图
【参考文献】：
期刊论文
[1]漫谈半导体材料及异质结器件[J]. 王海龙,潘东,赵建华. 物理. 2018(11)
[2]焊料层空洞对IGBT器件热稳定性的影响[J]. 肖飞,罗毅飞,刘宾礼,夏燕飞. 高电压技术. 2018(05)
[3]基于瞬态热阻的IGBT焊料层失效分析[J]. 陈一高,陈民铀,高兵,胡博容,赖伟,徐盛友. 中国电机工程学报. 2018(10)
[4]计及裂纹损伤的IGBT模块热疲劳失效分析[J]. 江南,陈民铀,徐盛友,赖伟,高兵. 浙江大学学报(工学版). 2017(04)
[5]基于有限元法的IGBT模块焊料层可靠性研究设计[J]. 张科峰,丁伟伟. 电源世界. 2017(01)
[6]IGBT技术进展及其在柔性直流输电中的应用[J]. 于坤山,谢立军,金锐. 电力系统自动化. 2016(06)
[7]焊料层形变对IGBT热阻影响的研究[J]. 王艳丰,张小玲,佘烁杰,田蕴杰. 电子产品可靠性与环境试验. 2015(05)
[8]IGBT模块焊料层空洞对模块温度影响的研究[J]. 徐玲,周洋,张泽峰,陈明祥,刘胜. 中国电子科学研究院学报. 2014(02)
[9]焊层空洞对IGBT模块热应力的影响[J]. 吴煜东,常桂钦,彭勇殿,方杰,唐龙谷,李继鲁. 大功率变流技术. 2014(01)
[10]IGBT模块封装的热性能分析[J]. 丁杰,唐玉兔,忻力,张陈林,胡昌发. 机车电传动. 2013(02)
本文编号：2942348
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