三維混合封裝高功率密度SiC單相逆變器的熱及可靠性設(shè)計(jì).pdf

1、單相逆變器的主要功能是把直流電轉(zhuǎn)化為交流電，廣泛應(yīng)用于光伏系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電、電動(dòng)汽車和航空航天等領(lǐng)域。追求更小體積、更高集成度、更高功率密度和更高可靠性成為電力電子模塊的發(fā)展趨勢。
　　近年來隨著寬禁帶半導(dǎo)體SiC功率器件的出現(xiàn)，使得電力電子模塊的開關(guān)頻率和功率密度大大提高。然而SiC功率器件在實(shí)際應(yīng)用中遇到兩個(gè)關(guān)鍵問題：一是因?yàn)槌叩墓β拭芏?，給SiC功率器件的封裝結(jié)構(gòu)帶來了嚴(yán)峻的散熱考驗(yàn)；二是因?yàn)槌叩拈_關(guān)頻率，要求封裝結(jié)構(gòu)中的

2、回路寄生電感要非常小。SiC功率器件的應(yīng)用問題歸根結(jié)底就是目前落后的封裝結(jié)構(gòu)和工藝不能跟上功率器件的發(fā)展速度。所以迫切需要發(fā)展新的封裝結(jié)構(gòu)和工藝，以解決如何將SiC功率器件生成的熱量快速有效地傳遞到外部環(huán)境，和如何減小回路中的寄生電感使得SiC功率器件在高頻下發(fā)揮出良好的性能，成為未來SiC功率器件能否可靠應(yīng)用的關(guān)鍵。
　　本文的最終目的就是設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一個(gè)高功率密度SiC單相逆變器。針對SiC功率器件在應(yīng)用中的問題，首先回顧了目前現(xiàn)

3、有的集成電力電子模塊IPEM的封裝互連方式，然后創(chuàng)新性的提出了DBC與PCB混合半橋三維封裝結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)不僅散熱方便而且由于特殊的電流回路設(shè)計(jì)使得回路的寄生電感非常低，非常符合高頻高功率密度的SiC功率器件的封裝應(yīng)用。
　　針對SiC單相逆變器的設(shè)計(jì)要求，使用基于計(jì)算流體力學(xué)的專業(yè)電子設(shè)備熱仿真軟件Flotherm，同時(shí)考慮熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射三種散熱方式，為DBC與PCB混合半橋三維封裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)了一個(gè)專門的散熱器，使得半

4、橋模塊的散熱效率達(dá)到最高。并使用熱阻矩陣的方法給這個(gè)半橋模塊建立了相應(yīng)的熱阻解析模型。進(jìn)一步通過瞬態(tài)熱仿真研究了半橋模塊的瞬態(tài)熱特性。
　　DBC與PCB混合半橋三維封裝結(jié)構(gòu)由于存在較多的焊接和鍵合線互連界面，這些地方都是封裝結(jié)構(gòu)中的薄弱部位。在高溫工作環(huán)境下，封裝結(jié)構(gòu)的各個(gè)部位會存在明顯的熱應(yīng)力。如果熱應(yīng)力超過材料的屈服強(qiáng)度就會對封裝結(jié)構(gòu)造成不可恢復(fù)的損傷；如果熱應(yīng)力較小，則在長期的功率循環(huán)或溫度循環(huán)下會引起封裝結(jié)構(gòu)的疲勞失效。

5、本文使用Ansys Workbench有限元仿真軟件，采用熱力耦合的方法，對DBC與PCB混合半橋三維封裝結(jié)構(gòu)中的DBC陶瓷基板、鍵合線、焊料層等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的可靠性做了詳盡的研究分析。還通過溫度循環(huán)加速試驗(yàn)仿真，進(jìn)一步研究了半橋模塊焊料層的內(nèi)部疲勞失效機(jī)理。
　　在完成DBC與PCB混合半橋三維封裝結(jié)構(gòu)的熱和可靠性的分析設(shè)計(jì)之后，用Flotherm對高功率密度SiC單相逆變器整機(jī)進(jìn)行了熱仿真設(shè)計(jì)，包括對風(fēng)扇的選取、風(fēng)道的優(yōu)化、元器件