3300V/400A SiC混合模块设计与热应力仿真研究

摘要

作为各种装置核心的电力电子器件，在提高能源利用率方面扮演着重要角色。IGBT模块作为主要的开关器件起着重要作用。针对传统全硅功率模块不足，用SiC二极管代替SiFRD（硅快恢复二极管）形成的混合模块能够有效降低功耗，提高开关速度。随着电压等级和电流容量的不断提高，模块散热不良、热应力过高及其分布不均等已成为亟待解决的问题。为此，本文采用有限元方法，对3300V/400ASiC混合模块进行设计和热应力分析。主要研究内容和结论如下：
　　1.完成了3300V/400ASiC混合模块的设计。选用8个3300V/50ASi-IGBT和8个3300V/50ASiC-JBS芯片对3300V/400ASiC混合模块的DBC板进行了布局设计；对混合模块纵向结构（芯片/DBC/基板）的DBC、基板及焊料进行了分析和初步设计。
　　2.对混合模块进行了热性能分析，初步优化了混合模块纵向结构的各层材料和厚度。针对大量模块中存在的热失效问题，从热学设计管理入手，建立了混合模块的三维模型，进行有限元仿真，模拟了温度场分布；对影响模块热场的基板、衬板、焊料层的材料和厚度等因素进行对比研究，总结了变化规律；采用8mm厚的Cu材料为基板、2.5mm厚的SiC材料为衬板、0.1mm厚的纳米银浆为焊料层的优化参数，混合模块散热能力可提高35.1％。
　　3.对混合模块进行热应力仿真，进一步优化了混合模块纵向结构各层材料和厚度。针对模块中存在的大量可靠性问题，以热分析为基础，进行热应力耦合分析，很好地模拟热应力场的分布；对影响混合模块热应力场的基板、衬板、焊料层的材料和厚度等因素进行对比研究，总结了影响规律；综合温度场和应力场分析，确定混合模块的最优设计：5mm厚的AlSiC材料为基板，1mm厚的AlN材料为衬板，0.1mm厚的纳米银浆为焊料层，优化后的混合模块整体热应力降低18.1%。

目录

声明

1 绪论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 国内外研究现状与进展

1.3 本文主要研究内容

2 混合模块设计理论

2.1 模块封装类型

2.2 IGBT模块拓扑结构

2.3 混合模块设计

2.4 混合模块结构

2.5 混合模块内部互连

2.6混合模块初步设计

2.7 本章小结

3 混合模块热场有限元仿真分析及优化

3.1 热分析基础

3.2 混合模块建模及热仿真分析

3.3混合模块散热性能影响因素的分析及优化

3.4 芯片布局验证

3.5 本章小结

4 混合模块热应力有限元仿真分析及优化

4.1 热应力理论分析

4.2 热应力分析方法

4.3 混合模块有限元热应力仿真

4.4 混合模块热应力影响因素的分析及优化

4.5 本章小结

5 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

致谢

参考文献