3300V/400A SiC混合模块设计与热应力仿真研究
发布时间：2021-08-08 22:06
作为各种装置核心的电力电子器件,在提高能源利用率方面扮演着重要角色。IGBT模块作为主要的开关器件起着重要作用。针对传统全硅功率模块不足,用SiC二极管代替Si FRD （硅快恢复二极管）形成的混合模块能够有效降低功耗,提高开关速度。随着电压等级和电流容量的不断提高,模块散热不良、热应力过高及其分布不均等已成为亟待解决的问题。为此,本文采用有限元方法,对3300V/400ASiC混合模块进行设计和热应力分析。主要研究内容和结论如下:1.完成了 3300V/400A SiC混合模块的设计。选用8个3300V50A Si-IGBT和8个3300V/50A SiC-JBS芯片对3300V/400A SiC混合模块的DBC板进行了布局设计;对混合模块纵向结构（芯片/DBC/基板）的DBC、基板及焊料进行了分析和初步设计。2.对混合模块进行了热性能分析,初步优化了混合模块纵向结构的各层材料和厚度。针对大量模块中存在的热失效问题,从热学设计管理入手,建立了混合模块的三维模型,进行有限元仿真,模拟了温度场分布;对影响模块热场的基板、衬板、焊料层的材料和厚度等因素进行对比研究,总结了变化规律;采用8m...
【文章来源】：西安理工大学陕西省
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
abstract
1 绪论
1.1 课题背景及研究意义
1.2 国内外研究现状与进展
1.2.1 国内外研究进展
1.2.2 散热及热应力研究现状
1.3 本文主要研究内容
2 混合模块设计理论
2.1 模块封装类型
2.1.1 分立式IGBT
2.1.2 焊接式IGBT模块
2.1.3 压接式IGBT模块
2.1.4 智能功率模块
2.2 IGBT模块拓扑结构
2.3 混合模块设计
2.3.1 设计思路
2.3.2 电路设计
2.4 混合模块结构
2.4.1 基板
2.4.2 直接覆铜板
2.4.3 焊料
2.5 混合模块内部互连
2.5.1 引线键和
2.5.2 焊料焊接
2.6 混合模块初步设计
2.7 本章小结
3 混合模块热场有限元仿真分析及优化
3.1 热分析基础
3.1.1 有限元法（FEM）
3.1.2 仿真软件ANSYS
3.1.3 热分析理论
3.2 混合模块建模及热仿真分析
3.2.1 建模
3.2.2 单元属性
3.2.3 有限元热仿真分析
3.3 混合模块散热性能影响因素的分析及优化
3.3.1 基板层材料和厚度的分析及优化
3.3.2 衬板层材料和厚度的分析及优化
3.3.3 衬板下焊料层材料和厚度的分析及优化
3.3.4 芯片下焊料层材料和厚度的分析及优化
3.3.5 优化前后对比
3.4 芯片布局验证
3.5 本章小结
4 混合模块热应力有限元仿真分析及优化
4.1 热应力理论分析
4.2 热应力分析方法
4.3 混合模块有限元热应力仿真
4.4 混合模块热应力影响因素的分析及优化
4.4.1 基板材料和厚度的分析及优化
4.4.2 衬板材料和厚度的分析及优化
4.4.3 衬板下焊料层材料和厚度的分析及优化
4.4.4 芯片下焊料层材料和厚度的分析及优化
4.4.5 混合模块的优化
4.5 本章小结
5 总结与展望
5.1 总结
5.2 展望
致谢
参考文献
【参考文献】：
期刊论文
[1]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)
[2]能源互联网:驱动力、评述与展望[J]. 孙宏斌,郭庆来,潘昭光,王剑辉. 电网技术. 2015(11)
[3]面向能源互联网的未来综合配电系统形态展望[J]. 刘涤尘,彭思成,廖清芬,唐飞,陈炜,陈懿. 电网技术. 2015(11)
[4]IGBT在轨道交通牵引应用中的可靠性研究[J]. 忻力,荣智林,窦泽春,忻兰苑,傅航杰. 机车电传动. 2015(05)
[5]IGBT需求大 政策扶持加快产业化[J]. 郑畅. 半导体信息. 2015(02)
[6]纳米银浆在微系统集成技术方面的应用[J]. 崔西会,孙毅,陆君. 中国电子科学研究院学报. 2015(01)
[7]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)
[8]三菱电机估计功率器件市场到2016年再创新高[J]. 变频器世界. 2014(07)
[9]IGBT功率模块材料抗热冲击性能的研究[J]. 胡震,杜明星,魏克新. 电测与仪表. 2013(12)
[10]高温功率循环下绝缘栅双极型晶体管失效特征及机理分析[J]. 陈明. 西安交通大学学报. 2014(04)
博士论文
[1]集成电力电子模块封装技术的研究[D]. 王建冈.南京航空航天大学 2006
硕士论文
[1]IGBT器件热可靠性的研究[D]. 董少华.山东大学 2014
[2]IGBT模块封装热应力研究[D]. 翟超.浙江大学 2013
[3]IGBT的可靠性模型研究[D]. 陈永淑.重庆大学 2010
本文编号：3330762
【文章来源】：西安理工大学陕西省
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
abstract
1 绪论
1.1 课题背景及研究意义
1.2 国内外研究现状与进展
1.2.1 国内外研究进展
1.2.2 散热及热应力研究现状
1.3 本文主要研究内容
2 混合模块设计理论
2.1 模块封装类型
2.1.1 分立式IGBT
2.1.2 焊接式IGBT模块
2.1.3 压接式IGBT模块
2.1.4 智能功率模块
2.2 IGBT模块拓扑结构
2.3 混合模块设计
2.3.1 设计思路
2.3.2 电路设计
2.4 混合模块结构
2.4.1 基板
2.4.2 直接覆铜板
2.4.3 焊料
2.5 混合模块内部互连
2.5.1 引线键和
2.5.2 焊料焊接
2.6 混合模块初步设计
2.7 本章小结
3 混合模块热场有限元仿真分析及优化
3.1 热分析基础
3.1.1 有限元法（FEM）
3.1.2 仿真软件ANSYS
3.1.3 热分析理论
3.2 混合模块建模及热仿真分析
3.2.1 建模
3.2.2 单元属性
3.2.3 有限元热仿真分析
3.3 混合模块散热性能影响因素的分析及优化
3.3.1 基板层材料和厚度的分析及优化
3.3.2 衬板层材料和厚度的分析及优化
3.3.3 衬板下焊料层材料和厚度的分析及优化
3.3.4 芯片下焊料层材料和厚度的分析及优化
3.3.5 优化前后对比
3.4 芯片布局验证
3.5 本章小结
4 混合模块热应力有限元仿真分析及优化
4.1 热应力理论分析
4.2 热应力分析方法
4.3 混合模块有限元热应力仿真
4.4 混合模块热应力影响因素的分析及优化
4.4.1 基板材料和厚度的分析及优化
4.4.2 衬板材料和厚度的分析及优化
4.4.3 衬板下焊料层材料和厚度的分析及优化
4.4.4 芯片下焊料层材料和厚度的分析及优化
4.4.5 混合模块的优化
4.5 本章小结
5 总结与展望
5.1 总结
5.2 展望
致谢
参考文献
【参考文献】：
期刊论文
[1]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)
[2]能源互联网:驱动力、评述与展望[J]. 孙宏斌,郭庆来,潘昭光,王剑辉. 电网技术. 2015(11)
[3]面向能源互联网的未来综合配电系统形态展望[J]. 刘涤尘,彭思成,廖清芬,唐飞,陈炜,陈懿. 电网技术. 2015(11)
[4]IGBT在轨道交通牵引应用中的可靠性研究[J]. 忻力,荣智林,窦泽春,忻兰苑,傅航杰. 机车电传动. 2015(05)
[5]IGBT需求大 政策扶持加快产业化[J]. 郑畅. 半导体信息. 2015(02)
[6]纳米银浆在微系统集成技术方面的应用[J]. 崔西会,孙毅,陆君. 中国电子科学研究院学报. 2015(01)
[7]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)
[8]三菱电机估计功率器件市场到2016年再创新高[J]. 变频器世界. 2014(07)
[9]IGBT功率模块材料抗热冲击性能的研究[J]. 胡震,杜明星,魏克新. 电测与仪表. 2013(12)
[10]高温功率循环下绝缘栅双极型晶体管失效特征及机理分析[J]. 陈明. 西安交通大学学报. 2014(04)
博士论文
[1]集成电力电子模块封装技术的研究[D]. 王建冈.南京航空航天大学 2006
硕士论文
[1]IGBT器件热可靠性的研究[D]. 董少华.山东大学 2014
[2]IGBT模块封装热应力研究[D]. 翟超.浙江大学 2013
[3]IGBT的可靠性模型研究[D]. 陈永淑.重庆大学 2010
本文编号：3330762
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