本文關(guān)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)復(fù)雜。散熱不足導(dǎo)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(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力,應(yīng)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(yīng)力兩方面進(jìn)行了詳細(xì)分析與研究。在IGBT液冷散熱模塊研究中,本文詳細(xì)分析了芯片的散熱路徑及其散熱熱阻,為散熱方式的改進(jìn)提供了有力的理論支撐。設(shè)計(jì)了一款能夠方便、準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)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(shè)計(jì)、回歸分析和假設(shè)性檢驗(yàn)的方法對冷板翅柱參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,將優(yōu)化后的菱形60°角叉排翅柱與德國產(chǎn)Infineon Hybridpack2模塊進(jìn)行對比,獲得了更好的散熱效果和更小的流動阻力,驗(yàn)證了該優(yōu)化方法的可靠性和有效性。在模塊封裝熱應(yīng)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(yīng)力場的影響,結(jié)果顯示覆鋁層的存在會導(dǎo)致芯片上表面熱應(yīng)力顯著升高,升高幅度可達(dá)25.3%;與實(shí)際情況更相符的按層次封裝方式的焊料兩端熱應(yīng)力顯著小于對齊封裝方式,模塊最大應(yīng)力值存在于DBC板陶瓷層。為改善封裝模塊惡劣的熱應(yīng)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(yīng)力。分別詳細(xì)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(yīng)力的作用效果。結(jié)果表明:添加緩沖層可有效降低模塊熱應(yīng)力;緩沖材料的厚度對應(yīng)力場作用效果較差,隨厚度增加熱應(yīng)力略有上升;三層梯度過度緩沖材料能進(jìn)一步降低芯片熱應(yīng)力,減小封裝材料之間的應(yīng)力梯度;基板開縫方式亦可降低模塊熱應(yīng)力,開縫數(shù)目對應(yīng)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(yīng)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(guān)鍵詞】：IGBT 翅柱 散熱 熱應(yīng)力 緩沖層
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)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(jié)構(gòu)及其應(yīng)用7-10
• 1.3 IGBT模塊應(yīng)用中存在的散熱及熱應(yīng)力問題10-13
• 1.3.1 熱耗散產(chǎn)生的原因及其危害10-11
• 1.3.2 熱應(yīng)力產(chǎn)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(yīng)力研究現(xiàn)狀17-21
• 1.5 本課題主要研究內(nèi)容21-23
• 2 數(shù)值模擬及理論基礎(chǔ)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(chǔ)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(yàn)平臺設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)及數(shù)字實(shí)驗(yàn)結(jié)果回歸分析優(yōu)化39-52
• 3.3.1 均勻設(shè)計(jì)及回歸分析優(yōu)化方法39-41
• 3.3.2 方案的設(shè)計(jì)與實(shí)施41-46
• 3.3.3 回歸方程和回歸系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)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(jié)52-55
• 4 IGBT芯片封裝熱應(yīng)力的分析與設(shè)計(jì)55-85
• 4.1 芯片熱應(yīng)力分析模型的建立56-69
• 4.1.1 芯片封裝熱應(yīng)力場模擬參數(shù)介紹57-60
• 4.1.2 芯片覆鋁層對模塊應(yīng)力場的影響分析60-64
• 4.1.3 對齊封裝與按層次封裝結(jié)構(gòu)對模塊熱應(yīng)力場的影響分析64-69
• 4.2 緩沖層對模塊熱應(yīng)力的影響69-82
• 4.2.1 緩沖層的添加對模塊熱應(yīng)力的影響69-72
• 4.2.2 不同厚度緩沖材料對模塊熱應(yīng)力的作用效果72-74
• 4.2.3 不同種類緩沖材料對模塊熱應(yīng)力的影響74-77
• 4.2.4 三層梯度漸變緩沖材料對模塊熱應(yīng)力的影響77-80
• 4.2.5 基板開縫對模塊熱應(yīng)力的影響80-82
• 4.3 本章小結(jié)82-85
• 5 結(jié)論與展望85-87
• 5.1 結(jié)論85-86
• 5.2 展望86-87
• 致謝87-89
• 參考文獻(xiàn)89-91

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