2025《绝缘栅双极型晶体管模块材料参数的散热性能研究》9300字.docxVIP

绝缘栅双极型晶体管模块材料参数的散热性能研究

目录

TOC\o1-3\h\u184361.1引言 1

100231.2基板材料及厚度选择 1

262801.3焊层材料及厚度选择 5

206971.3.1焊层厚度 5

66171.3.2焊层材料 8

253611.4焊层空洞对模块的影响分析 9

107321.1.1空洞类型 9

691.3.2空洞位置 11

13221.1.3芯片焊层空洞率大小 14

11781.1.4空洞分布方式 17

107841.5小结 18

1.1引言

IGBT模块的封装材料和封装结构不仅影响着模块的散热性能还影响了模块的可靠性。研究模块封装中的材料参数对模块的温度和应力的影响是十分必要的。IGBT模块中对于散热影响较为严重的两个部分，一是基板，二是焊料层的选择。本节将从基板的材料及厚度和焊料层的材料、厚度和空洞几个方面对模块进行详细的分析。由于IGBT模块中键合线对于模块整体的散热性能影响很小，在本节仿真分析中将忽略键合线的部分。

1.2基板材料及厚度选择

IGBT模块的基板主要为芯片提供支撑、散热和保护功能。基板在一定程度上可以改善模块的电热特性并且可以有效的帮助模块实现标准化的封装。

按照绝缘特性基板可分为三大类：无机基板、有机基板和复合基板REF_Re\r\h[39]。传统的无机基板以金属为材料，由于金属良好的导热、热膨胀、比热容等方面的优势，广泛应用于功率器件，也就是本论文中的IGBT模块基板材料。

模块的基板通过不是平坦的，是有弯曲度的，至于弯曲的朝向根据实际需要来制作[40]。因为模块的基板是需要和其他部分进行焊接连接的，随着基板温度的上升，基板发生膨胀，产生的曲度可以确保基板和焊料紧密接触，从而保证模块的焊接可靠性，平坦的基板会由于焊接产生的形变导致与铜板产生缝隙，即焊层脱落，随着IGBT长时间处于工作状态，会导致模块的热阻变大，导致模块结温升高REF_Re\r\h[40]。

以建立的正确的IGBT有限元分析模型为例，尝试去分析基板不同的材料和参数对IGBT模块的温度和应力分布的影响。因为封装影响着模块的寿命和可靠性，而模块的温度分布和应力分布的直接影响因素就是模块的整体热阻，并且由于每种材料的属性都是独有的，无法被改变，所以只能改变材料的种类和厚度来探究对IGBT模块的温度和应力分布的影响。

材料属性如表4-1

表4-1IGBT模块基板的参数

材料

密度

Kg

热膨胀系数

10

泊松比

热导率

W

比热

J

杨氏模量

GPa

Al

2700

21

0.33

237

900

68

AlSiC

2960

7.5

0.154

200

760

230

基板是整个功率模块散热的主要路径，基板的参数直接影响到模块整体的温度和应力分布。本论文中的初始基板为Cu基板，厚度为3mm，为了探究基板厚度对温度和应力分布的影响，将基板的厚度设置成从2mm-7mm，增加量为1mm。

从IGBT芯片的温度变化图可以看出，在其他条件保持不变，铜基板厚度从2-7mm，温度在不均匀的下降，在2-5mm范围内模块的温度下降幅度最为明显。因为铜基板的导热系数为398W/(m?k)，相对于模块的其他部位来说导热系数是较大的，基板厚度的增加不仅增大了通过铜基板的散热，也增加了基板四周的散热面积。在仿真时铜基板的四周对流换热系数虽然为10W/(m?k)远小于基板底面的5000W/(m

可以从图中看到随着厚度的不断增加在保持增量为1mm的前提下，温度的增量越来越小，由此可以得出一个结论，在其他因素保持不变的条件下，为了平衡模块体积，追求模块更高的可靠性和更好的散热特性，基板的厚度选择范围应在4-6mm之间。

从基板厚度的角度分析完，将从基板材料的角度进行切入研究，本节选择了Al和AlSiC材料作为基板和Cu基板进行对比分析。

其他参数不做更改，只变更基板材料种类的IGBT模块温度分布图如下。可以直观的看到三种基板材料中铜基板模块的芯片温度低于其余两种材质的基板，主要原因时因为通的热导率为398W/(m?k)，远大于Al的238W/(m?k)

图4-1基板厚度对IGBT芯片最高结温的影响

图4-2基板厚度增量和芯片结温增量的关系

观察其应力的分布特征，随着材料和厚度的变化，模块的最大主应力分布如图4-3。从图中可以看到三种材质的基板的应力都是波动变化，并且应力随着模块厚度的变化先有小幅度的下降后慢慢升高，因为AlSiC的热膨胀系数相较其余两种材料比较小，所以物体热胀冷缩的能力比较小，应力比较大。Cu基板可以看到温度明显低于Al和AlSiC基板，因为Cu的导热系数