基于ANSYS的DC/DC电源模块热分析和热设计研究

摘要

对于DC/DC电源模块,随着使用领域的不断扩大其工作环境日趋恶劣,要求IC芯片及功率元件有很高的可靠性,DC/DC电源模块热分析及热设计的研究是提高其可靠性的关键。因此,DC/DC电源模块的热分析及热设计是十分必要的。本论文利用有限元软件(ANSYS11.0)对DC/DC电源模块进行了热分析,评估了该多芯片组件的热特性及各种封装参数对其热特性的影响,提出了改善多芯片组件散热特性及提高其可靠性的方法。论文还利用ANSYS11.0对大功率多芯片组件进行了热分析,同时,提出了改善大功率多芯片组件散热特性的六种热设计措施。本论文所做的主要工作如下:1、针对不同外界环境及不同封装参数下的DC/DC电源模块,利用有限元热模拟技术分析了它的三维温度场,和影响该DC/DC电源模块热特性的一些重要因素,这些因素包括封装底板底面的温度、粘接层的导热系数、基板材料的导热系数、封装底板的导热系数、芯片的功率密度、拓扑结构及外界环境等。2、针对大功率DC/DC电源模块,利用有限元热模拟技术分析了DC/DC电源模块的温度场,通过循序渐进的方法,采用六种热设计措施进行改进。这六种热设计的措施为改善大功率DC/DC电源模块的散热特性及提高其可靠性提供了参考。这六种热设计措施包括:(1)改进基板材料及粘接材料;(2)采用其他底板材料;(3)改进管壳散热结构;(4)采用导热系数好的填充物;(5)改变芯片的面积(6)优化拓扑结构。并研究了大功率DC/DC电源模块使用中温度控制,这部分应用了有限元的热-流体耦合模拟技术。3、通过对DC/DC电源模块的热分析及热设计,为DC/DC电源模块的工艺设计提供了可靠的热分析、热设计数据。仿真结果表明,所进行的设计满足技术要求,其结果可以用于生产中。

目录

摘要

ABSTRACT

1 绪论

1.1 电源模块技术及发展趋势

1.2 热分析和热设计的背景

1.3 热可靠性的研究方法

1.3.1 热分析方法概述

1.3.2 热分析及热设计研究现状

1.4 热可靠性与热设计

1.4.1 温升的主要原因

1.4.2 温度对可靠性的影响

1.4.3 DC/DC 电源模块可靠性

1.4.4 DC/DC 电源模块热设计的意义

1.4.5 DC/DC 电源模块热设计要求和原则

1.5 本章小结

2 应用软件与相关理论基础

2.1 热传导的数学模型

2.2 流动与传热控制方程数学模型

2.3 有限元分析软件-ANSYS

2.3.1 ANSYS 的组成

2.3.2 ANSYS 有限元分析的主要流程

2.3.3 应用ANSYS 软件做热分析的流程

2.4 本章小结

3 某电源模块及热分析

3.1 某电源模块研究内容及目的

3.2 某电源模块的结构模型

3.3 某DC/DC 电源模块热通路分析

3.4 DC/DC 电源模块有限元热模拟及结果分析

3.4.1 某DC/DC 电源模块热测量的边界条件及载荷

3.4.2 某DC/DC 电源模块有限元模型的建立

3.4.3 DC/DC 电源模块有限元模拟结果及分析

3.5 DC/DC 电源模块封装参数及外部环境对其温度场的影响

3.5.1 基板材料导热系数对功率元件最高温度的影响

3.5.2 底板材料的导热系数对功率元件最高温度的影响

3.5.3 粘接层材料的导热系数对功率元件最高温度的影响

3.5.4 使用环境对功率元件温度的影响

3.5.5 DC/DC 电源模块拓扑结构对温度的影响

3.5.6 主要功率元器件粘接材料空洞对最高温度的影响

3.6 本章小结

4 大功率DC/DC 电源模块热设计技术研究

4.1 大功率DC/DC 电源模块

4.2 大功率DC/DC 电源模块有限元热模拟的结果及分析

4.3 大功率DC/DC 电源模块热设计

4.3.1 措施一：改进大功率DC/DC 电源模块基板材料及粘接材料

4.3.2 措施二：大功率DC/DC 电源模块采用其他材料底板

4.3.3 措施三：改进底板散热结构

4.3.4 措施四：采用导热系数好的填充物

4.3.5 措施五：改变芯片的面积

4.3.6 措施六：优化DC/DC 电源拓扑结构

4.4 大功率DC/DC 电源模块使用中温度控制

4.4.1 风冷方式

4.4.2 水冷的方式

4.5 大功率DC/DC 电源模块热设计结果

4.6 本章小结

5 总结

致谢

参考文献