電動汽車用IGBT模塊液冷散熱及封裝可靠性研究.pdf

1、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(nèi)部產(chǎn)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

2、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(shè)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(shè)計、回歸分析和假設(shè)性檢驗的方法

3、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(chǎn)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(jié)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

4、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(jié)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