一种采用柔性缓冲垫块的双面散热SiC MOSFET双向开关模块研究

随着功率模块朝着高温、高功率、高密度方向发展,这对模块的封装结构提出了新的要求。较传统的引线键合结构,双面散热结构由于具有高散热能力和低寄生电感等特点受到广泛关注。但是双面散热结构材料间热膨胀系数的差异使之承受较大的热-机械应力,降低了功率模块的可靠性。因此,为设计具有低热-机械应力双面散热双向开关,本研究首先使用仿真分析了芯片布局对模块散热性能以及寄生电感的影响,在此基础上提出了一种具有低杨氏模量的柔性缓冲垫块,综合仿真及试验初步证明其降低热-机械应力、提高模块可靠性的可行性。

基于神经网络的双面散热功率模块本构热阻建模与表征

双面散热(double-sided cooling,DSC)功率模块的结-壳热阻,是其电热设计、状态监测与失效分析的关键性能指标。然而,现有的结-壳热阻模型及其测试标准,仅针对单通道传热的功率模块,难以匹配多通道传热的DSC功率模块,无法识别DSC功率模块的本构热阻信息。首先提出DSC功率模块的本构热阻模型,阐释DSC功率模块本构热阻的物理意义,分析重构单通道传热本构热阻的可行性和唯一性;其次,评估所提本构热阻与传统测试热阻的本质差异。基于商业化DSC功率模块,采用多物理场分析方法,构建DSC功率模块的热阻数据库;然后,基于神经网络学习方法和所构建的数据库,建立DSC功率模块的本构热阻模型,并通过大量训练数据和测试数据的交叉验证及多款DSC功率模块的实测结果,验证神经网络重构本构热阻的泛化能力和兼容能力,为多通道散热功率模块的热阻建模与表征,提供新的研究思路和技术途径。

车用双面散热功率模块的热-力协同设计

双面散热(DSC)功率模块可以降低封装热阻和寄生参数,是车用电机控制器的发展趋势。然而,双面散热功率模块内的热-力交互作用机制尚不明晰,且缺少热-力协同的设计方法。为了克服热阻与应力之间的相互制约,该文提出一种多目标协同的双面散热功率模块设计方法。建立了双面散热功率模块热学和力学性能的数学模型,表征材料属性和封装尺寸对功率模块性能的影响,并利用有限元分析(FEA)方法进行验证。此外,提出双面散热功率模块的多目标优化设计模型,协同提升功率模块的热-力性能,并给出基于非占优遗传算法的求解方法。最后,基于所提出的多目标协同设计方法,对比研究了封装材料属性对优化设计结果的影响。

车用双面散热IGBT模块随机振动性能分析与应力预测

针对双面散热绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块在车载状态下由不同频率的振动载荷导致的焊料层失效问题,分别从材料和结构两个角度,以直接覆铜(DBC)板陶瓷层材料、陶瓷层厚度以及焊料层厚度为变量,以芯片底面焊料层应力为指标进行随机振动分析优化与应力预测,得到模块结构的最佳参数值组合。3个变量对芯片底面焊料层应力的影响由大到小为:陶瓷层厚度、焊料层厚度、陶瓷层材料。最后提出一种对芯片下焊料层应力的预测模型,相较仿真的准确率为95.61%。该研究结果对车载双面散热IGBT模块的振动性能分析提供参考,同时为模块结构的设计提供理论依据。

双面散热功率模块的热阻建模与测试表征研究

相对于单面散热(single-sided cooling,SSC)封装,双面散热(double-sided cooling,DSC)封装能有效降低功率模块的结–壳热阻,大幅提升变流器的功率密度,是功率集成的发展趋势。DSC功率模块具有双通道传热的特征,然而现有研究仍然沿用SSC功率模块单通道传热的热阻模型和评测方法。因此,DSC功率模块的热阻研究存在物理意义不明、热路模型缺乏、评测方法空白等基础问题,严重制约DSC功率模块的装备研发、可靠运行和规模应用,亟待技术突破。文中基于等温剖面和温度梯度的概念,揭示功率模块热阻的传热学机理,阐释DSC功率模块热阻的物理意义,建立DSC功率模块的热路模型,分析双通道传热和单通道传热的热阻规律,仿真分析和实验测试的结果,验证模型和方法的可行性和有效性。结果表明:相对于SSC功率模块,DSC功率模块的双通道热阻,从物理上、数学上和表征上,都不是两个单通道热阻的直接并联。此外,DSC功率模块在降低73%尺寸的同时,可以降低65%的结–壳热阻。这些研究发现将为DSC功率模块的研发与应用及制定多通道传热半导体器件的热阻标准,提供有益的参考。

双面散热SiC功率模块的可靠性分析和寿命评估

双面散热(double-sided cooling,DSC)封装能大幅降低封装寄生电感和结壳热阻,提升电气装备的功率密度,是SiC功率模块的发展趋势。然而,DSC SiC功率模块的失效机理不明、寿命模型缺失,成为制约其商业化应用的关键瓶颈,亟待技术突破。传统加速老化实验方法的成本较高、耗时较长,不利于产品的快速迭代升级。针对DSC SiC功率模块的可靠性研究,文中提出一种基于有限元的分析方法,基于材料的疲劳老化模型及功率模块的失效判据,建立DSC SiC模块的寿命模型。基于大量功率模块的寿命测试结果,验证了有限元模型的可行性和有效性,相对误差小于6%。此外,详细分析SiC和Si功率模块焊层的应力和蠕变规律,建立不同封装功率模块的寿命模型。结果表明:相对于单面散热封装,DSC封装功率模块的寿命提升一倍。采用相同封装,SiC功率模块的寿命是Si功率模块寿命的30%左右。此外,还详细分析了不同封装材料对DSC SiC功率模块寿命的影响规律。为下一代DSC SiC功率模块的研发与应用,提供有益的参考。

双面散热SiC MOSFET模块的封装结构强度设计

随着功率模块向高功率、高密度的方向快速发展,模块需要更高的散热效率。而传统引线键合模块只能实现单面散热,因此,双面散热的封装结构正被广泛关注。双面散热的封装模块采用缓冲层代替键合引线与芯片电极相连,增加散热通道,有效提高模块的散热效率,但双面互连的封装结构须承受更高的热应力。因此,为设计可靠的双面散热封装结构,本文以最大等效应力和最大塑性应变最小化为目标,采用有限元法,重点仿真研究了双面SiC模块应力缓冲层形状、厚度和焊层面积对模块各层材料的受力与变形的影响规律,为双面封装结构强度设计提供理论指导,实现高可靠双面散热封装SiC芯片。

双面散热功率模块的低电感多端集成电容

双面散热功率模块能有效提升逆变器的功率密度,成为车用电机控制器的发展趋势。为了匹配双面散热功率模块的超低寄生电感,急需高性能的低电感集成电容。然而,现有集成电容存在构-效机理不明、基础模型缺失和设计方法匮乏等问题,成为限制双面散热功率模块性能的关键技术瓶颈。该文结合功率器件的开关工作机制,基于场-路映射分析方法,采用有限元仿真工具,揭示集成电容的磁场分布和电流路径规律,建立集成电容的寄生电感模型,理论模型和仿真结果之间的误差小于16%。为了降低集成电容的寄生电感,衍生了六种集成电容的设计结构,揭示端子布局与寄生电感之间的构-效规律,提出多端集成电容的概念,寄生电感约为32 nH,可以降低47%的寄生电感和21%的电压过冲。对标商业化集成电容产品,实验结果验证了所提多端集成电容在开关损耗、关断电压、能量密度等性能方面的技术优势。该文的研究,为低电感集成电容提供了新的模型方法,为高功率密度车用电机控制器提供了新的研究思路。

基于智能算法的双面散热SiC功率模块多目标优化设计

双面散热功率模块凭借优异的电热特性,能够满足SiC器件封装的性能要求。但双面散热模块的电学、热学及力学特性互相制约,难以实现各性能的全部最优,为此,该文提出一种基于智能算法的多目标优化设计方法。首先,通过参数化仿真对功率模块的电热力性能进行了建模,并分析了待优化的尺寸参数对各性能指标的影响规律。然后,基于参数化仿真与流程控制方法得到学习样本,通过神经网络训练得到了待优化尺寸变量与各性能指标之间的函数关系,解决了尺寸变量与性能指标之间的函数难以获取的问题。得到目标函数后,基于遗传算法进行多目标优化求解,实现了定制化的多目标优化设计。最后,基于优化结果分别制备了优化前后的功率模块,并对其性能指标进行了测试和对比,结果证明了所提出的多目标优化设计方法的正确性。

全银烧结双面散热SiC模块的工艺设计

针对SiC芯片高工作结温、高功率密度和低杂散电感的封装技术要求,设计了一款双面散热SiC模块,仿真其杂散电感和均流性能,模块具有较低电感和较好的均流性。开发了全银烧结工艺和工艺流程,并试制了科研样品。通过动静态测试,在漏源极电流I_(d)为350 A和比导通电阻R_(DS-on)为3.95 mΩ下,计算出包含测试电路的总电感L_(s)为11.2 nH,模块具有较好的静动态性能。试验表明,全银烧结双面散热SiC模块具有优良的动静态性能,具有较大的应用前景。

双面散热汽车IGBT模块热测试方法研究

与传统单面散热IGBT模块不同,双面散热汽车IGBT模块同时向正、反两面传导热量,其热测试评估方式需重新考量。本文进行双面散热汽车IGBT模块热测试工装开发与热界面材料选型,同时对比研究模块压装方式,开发出一种适用于双面散热汽车IGBT模块的双界面散热结构热测试方法,可实现单面热阻测试,对比单面与双面热阻值、实测值与仿真值之间的差异,并讨论差异产生原因与修正手段。测试结果表明,该方法具有良好的可重复性与可推广性,可为双面散热汽车IGBT模块的热测试提供参考。

一种双面散热SiC MOSFET功率模块的设计与测试

现有的SiC模块大多沿用传统的基于硅基模块的封装,难以支持SiC芯片在高温、高频下的应用。为了进一步发挥SiC芯片的性能,设计了一款双面散热半桥模块。模块内部由SiC MOSFET芯片与金属垫片构成,在实现双面散热的同时完全消除了键合线,提高了可靠性,降低了寄生参数。首先,通过ANSYS Q3D EXTRACTOR软件提取模块的寄生参数,结果表明模块功率回路的寄生电感为5.45 nH。利用多物理场仿真软件COMSOL证实该双面散热结构相比传统的单面散热结构能够减少30%的芯片结温。随后展示了模块的制备工艺流程。最后,动、静态实验测试结果表明该模块具有良好的动态与静态特性。

大功率模块双面散热封装热设计与特性研究

随着半导体功率器件的使用环境和性能要求越来越高,器件散热能力要求也随之提高。器件散热问题导致的失效占了总失效的一半以上,而双面散热封装是提高器件散热能力的有效途径之一。因此,本文针对大功率模块的双面散热封装,利用有限元计算的仿真手段进行了模块整体的热设计与特性研究。首先,分析了热对流系数对模块最高温度的影响;其次,对比分析了单双面散热以及不同形状散热片对散热的影响;另外,对比分析不同焊料及金属厚度对散热的影响;最后,对优化模型进行了热应力分析,从而完成模块的热设计与热管理。研究结果对双面封装的热设计具有一定参考意义。

基于高效扰流技术的IGBT双面冷却散热器性能优化研究

基于数值仿真和试验研究方法,对用于轨道交通变流器的液冷散热器的性能进行了研究和优化设计,并将结果与HXD1C机车、HXD2B机车当前使用的散热器对比。结果表明,通过使用高效扰流技术和4组并联的流道结构,提升了散热器换热能力并降低了流阻,使散热器台面温升比HXD2B和HXD1C机车使用的散热器分别降低37%和14.1%,流阻分别降低36.9%和22.3%;通过使用对称的双面冷却结构,使IGBT安装面的均温性得到提升,并使其占用空间比单面平铺安装减少26%。

一种DSCPDFN双面冷却封装结构

传统封装结构以引脚或者底部外露散热片为途径,将热量从芯片运送到PCB板,保证芯片正常运转,这种方式一般称之为单面散热。随着半导体器件高功率密度越来越大,对器件的工作环境和封装的散热能力提出了严苛的要求。因此,多面散热的结构受到广泛关注。多面散热一般指的是除了固有的PCB散热面,在其他的面也有高效的导热通道,达到热交换目的以降低芯片工作温度。在传统封装产品系列中,四侧无引脚扁平封装(QFN)封装由于其良好的散热特性以及电学特性深受功率器件市场的青睐,但是面对越来越高的功率密度带来的热管理问题,其局限性也越来越突出。因此,本文提出了一种双面散热QFN封装结构,并采用有限元仿真分析方法,对比了该结构与传统QFN封装在电和热方面差异,得出结论:该结构提升了QFN结构的电和热管理能力。

混合动力/电动汽车用IGBT功率模块的最新封装技术

随着对功率密度和可靠性要求的不断提高,以及其苛刻的应用条件,混合动力/电动汽车使用的IGBT功率模块需要采用新的封装技术。文章介绍了互连、芯片贴装、散热、模块结构等方面的最新技术,总结了功率模块未来的发展趋势,为国内同行了解并跟踪国际最新技术提供了参考材料。

SiC功率模块封装技术及展望

SiC MOSFET器件的集成化、高频化和高效化需求,对功率模块封装形式和工艺提出了更高的要求。本文中总结了近年来封装形式的结构优化和技术创新,包括键合式功率模块的金属键合线长度、宽度和并联数量对寄生电感的影响,直接覆铜(DBC)的陶瓷基板中陶瓷层的面积和高度对寄生电容的影响,以及采用叠层换流技术优化寄生参数等成果;综述了双面散热结构的缓冲层厚度和形状对散热指标和应力与形变的影响;汇总了功率模块常见失效机理和解决措施,为模块的安全使用提供参考。最后探讨了先进烧结银技术的要求和关键问题,并展望了烧结封装技术和材料的发展方向。

碳化硅器件封装进展综述及展望

碳化硅(SiC)具有禁带宽、临界击穿场强大、热导率高、高压、高温、高频等优点。应用于硅基器件的传统封装方式寄生电感参数较大,难以匹配SiC器件的快速开关特性,同时在高温工况下封装可靠性大幅降低,为充分发挥SiC器件的优势需要改进现有的封装技术。针对上述挑战,对国内外现有的低寄生电感封装方式进行了总结。分析了现有的高温封装技术,结合新能源电力系统的发展趋势,对SiC器件封装技术进行归纳和展望。

宣纸湿帖干燥机之研制

国宝宣纸生产过程中湿帖干燥工序,一直采用传统的砖砌焙烧煤升温完成纸帖干燥方法。而现发明的湿帖干燥机,其结构、性能特点均与原干燥装置不同。本文介绍湿帖干燥机的研发及在宣纸生产中的应用情况。