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(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

2、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(shí)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

3、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

4、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