双芯GCT封装结构设计及热特性仿真

摘要

随着半导体工艺技术的不断更新与优化，电力半导体器件逐渐向大功率、高频、小型化等方向发展，导致其芯片必须承受更高的功率密度和更高的结温。为了提高电力半导体器件的散热能力和可靠性，对封装结构及其热特性的研究至关重要。本文以双芯门极换流晶闸管(Dual-GCT)为例，设计了常规型和集成化两种封装结构，利用ANSYS软件对比分析了两种结构的温度分布和热机械应力分布，以及在高低温循环和温度冲击下的热形变结果。主要研究内容如下： 第一，依据双芯GCT背面金属化结构特点，利用ANSYS软件建立多层金属化结构模型，研究Al-Cr-Ni-Ag和Al-Ti-Ni-Ag两种结构在温度载荷下的热机械应力，并通过结果对Al-Ti-Ni-Ag进行厚度优化使其热机械应力最小，热稳定性最高。 第二，基于压接式GCT的封装结构，依据双芯GCT的结构特点，设计双芯了GCT封装，研究了热稳态下该封装结构的温度分布和热机械应力分布，以及在高低温循环和温度冲击条件下的热形变。 第三，依据集成化双芯GCT(Dual-ICT)结构特点，设计集成化双芯GCT封装结构，研究该结构的温度分布与热机械应力分布，以及在温度冲击下的热形变，并对封装结构中MOS管布局和散热方式进行优化。 本文的研究结果对双芯GCT封装结构的设计提供一定的参考。

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1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2.1 背面金属化发展

1.2.2 IGBT封装结构发展

1.2.3 GCT封装结构发展

1.3 本文主要工作

2 压接式封装结构及热分析

2.1 压接式封装结构

2.2 热分析

2.2.1 有限元分析方法

2.2.2 ANSYS软件简介

2.2.3热分析关键参数

2.3.1 芯片多层金属化结构

2.3.2 多层金属化热特性仿真

2.3.3 芯片电极参数优化

2.4 本章小结

3 双芯GCT封装结构的设计与热特性分析

3.1.1 GCT结构特点

3.1.2 双芯GCT结构特点

3.2 双芯GCT封装结构的设计

3.2.1 绝缘座的设计

3.2.2 芯片电极布局设计

3.2.3 管座的设计

3.2.4 管壳设计

3.3.1 温度分布

3.3.2 热可靠性验证

3.3.3 功耗对热特性的影响

3.3.4 热机械应力结果分布

3.4.1模拟条件

3.4.2 温度与热形变结果分布

3.5.1 方形与圆形管壳压接式模型

3.5.2 热特性仿真分析

3.6 本章小结

4 集成化双芯GCT封装结构的设计与热特性分析

4.1 ICT与Dual-ICT结构特点

4.1.1 ICT结构特点

4.1.2 Dual-ICT结构特点

4.2 Dual-ICT封装结构的设计

4.2.1 关断电路的集成

4.2.2 管座设计

4.2.3 管壳设计

4.3 温度分布与热机械应力分布

4.3.1 温度分布

4.3.2 结构优化

4.3.3 热机械应力分布

4.3.4 散热方式优化

4.4.1 温度冲击条件

4.4.2 温度结果

4.4.3 热形变结果

4.5 本章小结

5 结论

致 谢

参考文献

附录：在校学习期间所发表论文