本文關鍵詞：電動汽車用IGBT模塊液冷散熱及封裝可靠性研究

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【摘要】：近些年電動汽車的發(fā)展十分迅速,其優(yōu)良的環(huán)保節(jié)能特性受到越來越多人的青睞,IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)是電動汽車必不可少的部件,起到電平轉換、交直流變換、電池充電以及系統(tǒng)控制的作用。但其工作環(huán)境惡劣,耗散熱流密度大、芯片封裝結構復雜。散熱不足導致溫度升高會造成芯片工作性能下降甚至燒毀;封裝模塊隨著工作溫度的變化會在內部產生熱應力,應力過大或分布不均極易造成芯片與陶瓷層的斷裂或封裝材料疲勞失效。對此,本文分別從模塊液冷散熱與熱應力兩方面進行了詳細分析與研究。在IGBT液冷散熱模塊研究中,本文詳細分析了芯片的散熱路徑及其散熱熱阻,為散熱方式的改進提供了有力的理論支撐。設計了一款能夠方便、準確、經(jīng)濟比較不同翅柱類型散熱和流阻的對比平臺,利用該對比平臺分析對比了8中翅柱類型,得出采用菱形60°角叉排翅柱可獲得更好的散熱和流動特性。同時本文針對翅柱冷板多因素多水平的優(yōu)化問題提出了采用均勻設計、回歸分析和假設性檢驗的方法對冷板翅柱參數(shù)進行優(yōu)化,將優(yōu)化后的菱形60°角叉排翅柱與德國產Infineon Hybridpack2模塊進行對比,獲得了更好的散熱效果和更小的流動阻力,驗證了該優(yōu)化方法的可靠性和有效性。在模塊封裝熱應力研究中,首先分析了芯片覆鋁層及按層次封裝方式對模塊應力場的影響,結果顯示覆鋁層的存在會導致芯片上表面熱應力顯著升高,升高幅度可達25.3%;與實際情況更相符的按層次封裝方式的焊料兩端熱應力顯著小于對齊封裝方式,模塊最大應力值存在于DBC板陶瓷層。為改善封裝模塊惡劣的熱應力環(huán)境,本文提出采用基板上方添加緩沖層和基板開縫的方式來緩解熱應力。分別詳細研究了添加緩沖層與否、緩沖層厚度、緩沖層材料類型、三層梯度過度緩沖材料以及基板開縫方式對熱應力的作用效果。結果表明:添加緩沖層可有效降低模塊熱應力;緩沖材料的厚度對應力場作用效果較差,隨厚度增加熱應力略有上升;三層梯度過度緩沖材料能進一步降低芯片熱應力,減小封裝材料之間的應力梯度;基板開縫方式亦可降低模塊熱應力,開縫數(shù)目對應力降低效果無顯著影響。合理的散熱措施、模型優(yōu)化方法、應力緩沖材料以及基板開縫方式對于提升電動汽車IGBT模塊的可靠性和安全性必不可少。
【關鍵詞】：IGBT 翅柱 散熱 熱應力 緩沖層
【學位授予單位】：重慶大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：U469.72;TN322.8
【目錄】：

• 中文摘要3-4
• 英文摘要4-7
• 1 緒論7-23
• 1.1 課題背景及意義7
• 1.2 電動汽車用IGBT模塊的基本結構及其應用7-10
• 1.3 IGBT模塊應用中存在的散熱及熱應力問題10-13
• 1.3.1 熱耗散產生的原因及其危害10-11
• 1.3.2 熱應力產生的原因及其危害11-13
• 1.4 研究現(xiàn)狀13-21
• 1.4.1 IGBT模塊散熱研究現(xiàn)狀13-17
• 1.4.2 IGBT模塊熱應力研究現(xiàn)狀17-21
• 1.5 本課題主要研究內容21-23
• 2 數(shù)值模擬及理論基礎23-31
• 2.1 數(shù)值模擬軟件介紹23-24
• 2.2 數(shù)值模擬理論基礎24-31
• 3 電動汽車IGBT模塊的液冷散熱分析與優(yōu)化31-55
• 3.1 IGBT液冷模塊散熱熱阻及分析31-34
• 3.2 液冷模塊翅柱式冷板的對比研究34-39
• 3.2.1 翅柱式冷板散熱及流動性能對比試驗平臺設計34-35
• 3.2.2 不同類型翅柱式冷板的散熱及流動性能對比研究35-39
• 3.3 菱形 60°角叉排翅柱式冷板的均勻設計及數(shù)字實驗結果回歸分析優(yōu)化39-52
• 3.3.1 均勻設計及回歸分析優(yōu)化方法39-41
• 3.3.2 方案的設計與實施41-46
• 3.3.3 回歸方程和回歸系數(shù)的顯著性檢驗與修正46-51
• 3.3.4 優(yōu)化后模型與初始模型的對比分析51-52
• 3.4 本章小結52-55
• 4 IGBT芯片封裝熱應力的分析與設計55-85
• 4.1 芯片熱應力分析模型的建立56-69
• 4.1.1 芯片封裝熱應力場模擬參數(shù)介紹57-60
• 4.1.2 芯片覆鋁層對模塊應力場的影響分析60-64
• 4.1.3 對齊封裝與按層次封裝結構對模塊熱應力場的影響分析64-69
• 4.2 緩沖層對模塊熱應力的影響69-82
• 4.2.1 緩沖層的添加對模塊熱應力的影響69-72
• 4.2.2 不同厚度緩沖材料對模塊熱應力的作用效果72-74
• 4.2.3 不同種類緩沖材料對模塊熱應力的影響74-77
• 4.2.4 三層梯度漸變緩沖材料對模塊熱應力的影響77-80
• 4.2.5 基板開縫對模塊熱應力的影響80-82
• 4.3 本章小結82-85
• 5 結論與展望85-87
• 5.1 結論85-86
• 5.2 展望86-87
• 致謝87-89
• 參考文獻89-91

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