高速列車IGBT模塊基板材料的制備及其導(dǎo)熱性能的有限元分析
發(fā)布時間：2020-12-25 21:37
隨著高鐵的不斷提速,對電力系統(tǒng)各方面的要求也越來越高。絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT）被稱為高速列車“心臟”,控制機車的電力系統(tǒng),所以其對散熱的要求極高。對IGBT模塊的散熱一直是一個比較棘手的問題,目前人們對散熱器的結(jié)構(gòu)、冷媒等方面已經(jīng)有了深入的研究。此外,對于高導(dǎo)熱材料的研究一直是科研中比較重要的一部分。高導(dǎo)熱材料作為散熱材料應(yīng)用到電子器件中,對電阻熱的傳導(dǎo)會起到關(guān)鍵性的作用。特別是對于大功率的電子器件,高導(dǎo)熱材料的重要性就顯得尤為突出。石墨烯在其二維平面方向上具有很強的導(dǎo)熱性。然而目前所制備的石墨烯復(fù)合材料的導(dǎo)熱性遠低于預(yù)期,其主要原因是在金屬基復(fù)合材料當中沒有大量高度取向的石墨烯納米片（Graphene Nano-Platelet,GNP）。本文中,通過真空抽濾、放電等離子燒結(jié)技術(shù)（Spark Plasma Sintering,SPS）燒結(jié)制備出了高度取向的石墨烯納米片/銅的復(fù)合材料。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),當石墨烯的體積分數(shù)達到35%時,石墨烯在銅基體上建立了大面積高度取向的石墨烯納米片網(wǎng)格結(jié)構(gòu),而且其平面方向熱導(dǎo)率高達...
【文章來源】：蘭州交通大學甘肅省
【文章頁數(shù)】：74 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
典型的IGBT模塊
蘭州交通大學碩士學位論文-11-接下來，進行了真空抽濾工藝。所采用的抽濾膜為聚四氟乙烯濾膜(直徑50mm，孔徑0.45μm)，在抽濾完成后得到了濕潤的抽濾塊體。所得到的抽濾塊體是比較松軟的，將抽濾塊體在濾紙上保持原狀，然后小心地用濾紙把抽濾塊體移到試驗臺上進行自然干燥，干燥時間為24小時。最后是試樣的燒結(jié)工藝，采用的是1050-SPS燒結(jié)爐系統(tǒng)(日本往友石炭有限公司，安裝在北京科技大學)。在50MPa的軸向壓力下，將石墨烯/銅的抽濾薄片在750℃下燒結(jié)5分鐘，使石墨烯/銅抽濾薄片固結(jié)成塊狀復(fù)合材料。本實驗的工藝過程如圖2.1所示。圖2.1V-GNP/Cu復(fù)合材料制備工藝示意圖在本論文中，將石墨烯的體積分數(shù)作為一個變量，通過對比不同體積分數(shù)的石墨烯對實驗結(jié)果的影響來達到本論文的一個研究目的。將石墨烯體積分數(shù)遞增范圍選為5～38vol%。為了更明確的得到對比結(jié)果，還制備了沒有真空過濾工藝的GNP/Cu復(fù)合材料(漩渦混合后的混合粉末直接進行干燥，且進行相同的SPS過程)，然后將兩者進行比較，通過對比實驗結(jié)果來確定抽濾工藝的必要性。為了便于區(qū)分，現(xiàn)將經(jīng)過真空抽濾后的石墨烯/銅復(fù)合材料表示為V-GNP/Cu，將未經(jīng)過真空抽濾的石墨烯/銅復(fù)合材料表示為NV-GNP/Cu。
高速列車IGBT模塊基板材料的制備及其導(dǎo)熱性能的有限元分析-12-用阿基米德原理測量了樣品的體積密度，將體積密度除以理論密度得到相對密度。GNP/Cu復(fù)合材料的理論密度由混合物的密度經(jīng)過計算得到(石墨烯的密度為2.2g/cm3[70]，銅的密度為8.96g/cm3)。如圖2.2所示，體積分數(shù)為5～35%的V-GNP/Cu復(fù)合材料的測量密度與理論值非常接近（約為99%相對密度），表明GNP/Cu復(fù)合材料完全致密化了。然而，當石墨烯的體積分數(shù)增加到38%時，相對密度反而降低到了96%。這個現(xiàn)象意味著石墨烯的體積分數(shù)在38%時，GNP/Cu復(fù)合材料中的孔隙度增加了。經(jīng)過測定，體積分數(shù)為38%的GNP/Cu復(fù)合材料在平行于石墨烯面方向上的熱導(dǎo)率大幅下降到了376W/mK，因此高孔隙率會導(dǎo)致GNP/Cu復(fù)合材料熱導(dǎo)率的顯著降低[71]。經(jīng)過測定所制備材料的熱導(dǎo)率，發(fā)現(xiàn)NV-GNP/Cu復(fù)合材料與V-GNP/Cu復(fù)合材料的熱導(dǎo)率變化趨勢基本相同。因此，在本論文中僅考慮完全致密的樣品（即石墨烯體積分數(shù)在5～35%內(nèi)），這樣來消除孔隙的出現(xiàn)對研究的影響。圖2.2(a)和(b)分別為V-GNP/Cu復(fù)合材料在不同石墨烯體積分數(shù)下的測量密度和相對密度2.3石墨烯/銅復(fù)合材料的表征分析方法（1）掃描電子顯微鏡（ScanningElectronMicroscope,SEM）本論文采用的掃描電子顯微鏡的型號為JSM-6701，用來觀察粉體和試樣的拋光面、斷口的微觀形貌。（2）透射電子顯微鏡（TransmissionElectronMicroscope,TEM）透射電子顯微鏡、高分辨透射電鏡(HighResolutionTransmissionElectronMicroscope,HRTEM)、選區(qū)電子衍射(SelectedAreaElectronDiffraction,SAED)均在TecnaiG2F20型顯微鏡上進行，用來觀察石墨烯在GNP/Cu復(fù)合材料中的厚度和分布情
【參考文獻】：
期刊論文
[1]IGBT模塊結(jié)溫檢測與應(yīng)用研究[J]. 馬漢卿. 山東工業(yè)技術(shù). 2019(07)
[2]基于風冷的IGBT散熱方案設(shè)計及優(yōu)化[J]. 沈麗萍,江健,方亞坤,楊振,候耀東. 低溫與超導(dǎo). 2018(08)
[3]老化試驗條件下的IGBT失效機理分析[J]. 賴偉,陳民鈾,冉立,王學梅,徐盛友. 中國電機工程學報. 2015(20)
[4]鍵合線失效對于IGBT模塊性能的影響分析[J]. 王春雷,鄭利兵,方化潮,韓立. 電工技術(shù)學報. 2014(S1)
[5]絕緣柵雙極型晶體管失效機理與壽命預(yù)測模型分析[J]. 陳明,胡安,劉賓禮. 西安交通大學學報. 2011(10)
[6]車載IGBT器件封裝裝片工藝中空洞的失效研究[J]. 施建根,孫偉鋒,景偉平,孫海燕,高國華. 電子與封裝. 2010(02)
[7]高導(dǎo)熱率及低介電常數(shù)的AlN/PI納米復(fù)合薄膜研究[J]. 郝曉靜,黨智敏,徐海萍. 功能材料. 2007(10)
[8]混雜填料填充導(dǎo)熱硅橡膠性能研究[J]. 周文英,齊暑華,涂春潮,王彩鳳,袁江龍,郭建. 材料工程. 2006(08)
[9]疲勞壽命預(yù)測方法的研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J]. 袁熙,李舜酩. 航空制造技術(shù). 2005(12)
[10]PCB及元件的溫度場有限元分析[J]. 李曉明,呂善偉,高澤溪. 北京航空航天大學學報. 2000(01)
碩士論文
[1]大功率IGBT散熱裝置的設(shè)計及優(yōu)化研究[D]. 李陽.西安建筑科技大學 2016
[2]典型電子封裝結(jié)構(gòu)的熱動力學分析與壽命預(yù)測[D]. 范平平.南京航空航天大學 2010
本文編號：2938431
【文章來源】：蘭州交通大學甘肅省
【文章頁數(shù)】：74 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
典型的IGBT模塊
蘭州交通大學碩士學位論文-11-接下來，進行了真空抽濾工藝。所采用的抽濾膜為聚四氟乙烯濾膜(直徑50mm，孔徑0.45μm)，在抽濾完成后得到了濕潤的抽濾塊體。所得到的抽濾塊體是比較松軟的，將抽濾塊體在濾紙上保持原狀，然后小心地用濾紙把抽濾塊體移到試驗臺上進行自然干燥，干燥時間為24小時。最后是試樣的燒結(jié)工藝，采用的是1050-SPS燒結(jié)爐系統(tǒng)(日本往友石炭有限公司，安裝在北京科技大學)。在50MPa的軸向壓力下，將石墨烯/銅的抽濾薄片在750℃下燒結(jié)5分鐘，使石墨烯/銅抽濾薄片固結(jié)成塊狀復(fù)合材料。本實驗的工藝過程如圖2.1所示。圖2.1V-GNP/Cu復(fù)合材料制備工藝示意圖在本論文中，將石墨烯的體積分數(shù)作為一個變量，通過對比不同體積分數(shù)的石墨烯對實驗結(jié)果的影響來達到本論文的一個研究目的。將石墨烯體積分數(shù)遞增范圍選為5～38vol%。為了更明確的得到對比結(jié)果，還制備了沒有真空過濾工藝的GNP/Cu復(fù)合材料(漩渦混合后的混合粉末直接進行干燥，且進行相同的SPS過程)，然后將兩者進行比較，通過對比實驗結(jié)果來確定抽濾工藝的必要性。為了便于區(qū)分，現(xiàn)將經(jīng)過真空抽濾后的石墨烯/銅復(fù)合材料表示為V-GNP/Cu，將未經(jīng)過真空抽濾的石墨烯/銅復(fù)合材料表示為NV-GNP/Cu。
高速列車IGBT模塊基板材料的制備及其導(dǎo)熱性能的有限元分析-12-用阿基米德原理測量了樣品的體積密度，將體積密度除以理論密度得到相對密度。GNP/Cu復(fù)合材料的理論密度由混合物的密度經(jīng)過計算得到(石墨烯的密度為2.2g/cm3[70]，銅的密度為8.96g/cm3)。如圖2.2所示，體積分數(shù)為5～35%的V-GNP/Cu復(fù)合材料的測量密度與理論值非常接近（約為99%相對密度），表明GNP/Cu復(fù)合材料完全致密化了。然而，當石墨烯的體積分數(shù)增加到38%時，相對密度反而降低到了96%。這個現(xiàn)象意味著石墨烯的體積分數(shù)在38%時，GNP/Cu復(fù)合材料中的孔隙度增加了。經(jīng)過測定，體積分數(shù)為38%的GNP/Cu復(fù)合材料在平行于石墨烯面方向上的熱導(dǎo)率大幅下降到了376W/mK，因此高孔隙率會導(dǎo)致GNP/Cu復(fù)合材料熱導(dǎo)率的顯著降低[71]。經(jīng)過測定所制備材料的熱導(dǎo)率，發(fā)現(xiàn)NV-GNP/Cu復(fù)合材料與V-GNP/Cu復(fù)合材料的熱導(dǎo)率變化趨勢基本相同。因此，在本論文中僅考慮完全致密的樣品（即石墨烯體積分數(shù)在5～35%內(nèi)），這樣來消除孔隙的出現(xiàn)對研究的影響。圖2.2(a)和(b)分別為V-GNP/Cu復(fù)合材料在不同石墨烯體積分數(shù)下的測量密度和相對密度2.3石墨烯/銅復(fù)合材料的表征分析方法（1）掃描電子顯微鏡（ScanningElectronMicroscope,SEM）本論文采用的掃描電子顯微鏡的型號為JSM-6701，用來觀察粉體和試樣的拋光面、斷口的微觀形貌。（2）透射電子顯微鏡（TransmissionElectronMicroscope,TEM）透射電子顯微鏡、高分辨透射電鏡(HighResolutionTransmissionElectronMicroscope,HRTEM)、選區(qū)電子衍射(SelectedAreaElectronDiffraction,SAED)均在TecnaiG2F20型顯微鏡上進行，用來觀察石墨烯在GNP/Cu復(fù)合材料中的厚度和分布情
【參考文獻】：
期刊論文
[1]IGBT模塊結(jié)溫檢測與應(yīng)用研究[J]. 馬漢卿. 山東工業(yè)技術(shù). 2019(07)
[2]基于風冷的IGBT散熱方案設(shè)計及優(yōu)化[J]. 沈麗萍,江健,方亞坤,楊振,候耀東. 低溫與超導(dǎo). 2018(08)
[3]老化試驗條件下的IGBT失效機理分析[J]. 賴偉,陳民鈾,冉立,王學梅,徐盛友. 中國電機工程學報. 2015(20)
[4]鍵合線失效對于IGBT模塊性能的影響分析[J]. 王春雷,鄭利兵,方化潮,韓立. 電工技術(shù)學報. 2014(S1)
[5]絕緣柵雙極型晶體管失效機理與壽命預(yù)測模型分析[J]. 陳明,胡安,劉賓禮. 西安交通大學學報. 2011(10)
[6]車載IGBT器件封裝裝片工藝中空洞的失效研究[J]. 施建根,孫偉鋒,景偉平,孫海燕,高國華. 電子與封裝. 2010(02)
[7]高導(dǎo)熱率及低介電常數(shù)的AlN/PI納米復(fù)合薄膜研究[J]. 郝曉靜,黨智敏,徐海萍. 功能材料. 2007(10)
[8]混雜填料填充導(dǎo)熱硅橡膠性能研究[J]. 周文英,齊暑華,涂春潮,王彩鳳,袁江龍,郭建. 材料工程. 2006(08)
[9]疲勞壽命預(yù)測方法的研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J]. 袁熙,李舜酩. 航空制造技術(shù). 2005(12)
[10]PCB及元件的溫度場有限元分析[J]. 李曉明,呂善偉,高澤溪. 北京航空航天大學學報. 2000(01)
碩士論文
[1]大功率IGBT散熱裝置的設(shè)計及優(yōu)化研究[D]. 李陽.西安建筑科技大學 2016
[2]典型電子封裝結(jié)構(gòu)的熱動力學分析與壽命預(yù)測[D]. 范平平.南京航空航天大學 2010
本文編號：2938431
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