环氧树脂对双面散热IGBT模块功率循环寿命影响分析

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作者 刘鹏 周望君 +4 位作者 邓二平 陆金辉 陈杰 常桂钦 黄永章 《中国电机工程学报》 北大核心 2025年第9期3598-3608,I0028,共12页

双面散热绝缘栅双极性晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)模块以其热阻小、功率密度高、寄生电感小等优势逐渐成为电动汽车功率器件的首要选择,其封装可靠性也受到广泛关注。虽然不少厂商和学者针对模块内部各材料进行功... 双面散热绝缘栅双极性晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)模块以其热阻小、功率密度高、寄生电感小等优势逐渐成为电动汽车功率器件的首要选择,其封装可靠性也受到广泛关注。虽然不少厂商和学者针对模块内部各材料进行功率循环研究,但作为与芯片、三层焊料直接接触的环氧树脂是否对双面散热IGBT模块的功率循环寿命有影响尚且未知。文中对环氧树脂塑封的双面散热IGBT模块和无环氧树脂的双面散热IGBT模块开展相同条件下的功率循环试验,试验结果表明,环氧树脂能提高双面散热IGBT模块的焊料寿命,从而提高其功率循环寿命,但会引起芯片失效。通过试验前后超声波扫描以及功率循环仿真解释环氧树脂对双面散热IGBT模块的影响机理。该研究成果可为半导体器件厂商设计和制造双面散热IGBT模块提供一定参考。 展开更多

关键词 双面散热igbt模块 功率循环寿命 影响机理 有限元模型 环氧树脂塑封

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车用双面散热IGBT模块随机振动性能分析与应力预测 被引量：4

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作者 刘东静 李浩 +2 位作者 陈帅阳 王新海 冯青青 《半导体技术》 CAS 北大核心 2023年第1期59-65,共7页

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... 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。 展开更多

关键词 双面散热 绝缘栅双极型晶体管(igbt)模块 振动分析 优化设计 应力预测

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基于Fluent的IGBT模块散热器的优化设计 被引量：3

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作者 乔瑞峰 周淑霞 +4 位作者 李洋 陆海程 张腾 周玺凯 孔朋 《半导体技术》 CAS 北大核心 2024年第8期767-772,共6页

随着新能源电动汽车功率控制器中的IGBT模块向着微型化、集成化方向发展,功率密度增大会导致芯片发热量大幅度增加,降低模块的可靠性。优化英飞凌IGBT模块的散热器结构,以提高散热器的散热性能。设计开口角度为63.256°供冷却液流... 随着新能源电动汽车功率控制器中的IGBT模块向着微型化、集成化方向发展,功率密度增大会导致芯片发热量大幅度增加,降低模块的可靠性。优化英飞凌IGBT模块的散热器结构,以提高散热器的散热性能。设计开口角度为63.256°供冷却液流通的进口和出口,在散热器前、中、后位置设计直径为4~5.5 mm、叉分式排布的扰流柱。利用ANSYS仿真软件,通过计算流体动力学(CFD)的流固耦合传热计算模型进行仿真分析。仿真结果表明,采用新型叉分式结构散热器的IGBT模块的最高温度为85.10℃,最低温度为65.28℃,平均温度为78.81℃,均低于传统均分式结构散热器模块。搭建实验平台对IGBT模块散热器的散热性能进行检测,实验结果表明新型叉分式结构散热器散热效果良好,有助于提升IGBT模块的可靠性。 展开更多

关键词 功率控制器 igbt模块 散热器 散热性能 流固耦合 Fluent软件

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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 被引量：2

4

作者 李靖 曹君临 +1 位作者 陆国权 梅云辉 《电源学报》 CSCD 北大核心 2024年第1期140-146,共7页

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... 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。 展开更多

关键词 双面散热 双向开关SiC模块 热-机械应力 杨氏模量

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基于神经网络的双面散热功率模块本构热阻建模与表征

5

作者 梁钰茜 孙鹏 +2 位作者 牛富丽 梁森浩 曾正 《中国电机工程学报》 EI CSCD 北大核心 2024年第15期6095-6109,I0022,共16页

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... 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。 展开更多

关键词 功率模块 双面散热 本构热阻 多物理场分析 神经网络

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基于干冰微粒喷射冷却的高速列车IGBT散热器设计 被引量：1

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作者 宁静红 任子亮 +3 位作者 宋志朋 祝森 孙璐瑶 高雪 《制冷学报》 CAS CSCD 北大核心 2024年第2期143-151,共9页

针对高速列车IGBT模块的高效散热问题,设计了一种应用于干冰微粒喷射冷却的针肋散热器。建立了3组不同针肋参数模型,通过数值模拟研究分析了针肋数量、直径、高度对散热效果的影响,得出最优针肋散热器的针肋数量为64、直径为12 mm、高度... 针对高速列车IGBT模块的高效散热问题,设计了一种应用于干冰微粒喷射冷却的针肋散热器。建立了3组不同针肋参数模型,通过数值模拟研究分析了针肋数量、直径、高度对散热效果的影响,得出最优针肋散热器的针肋数量为64、直径为12 mm、高度为45 mm,相比于无肋散热器其换热基板表面温度降低了10.57℃,散热器内部干冰升华率提高了17.2%。通过实验观测到了干冰微粒冷却流体在管内流动状态以及干冰微粒在散热器内部扰动碰撞过程,验证了模拟结果,干冰微粒喷射冷却使热源功率为1.6 kW的IGBT模块保持在约25℃,满足其散热需要,为深入研究干冰微粒喷射冷却技术提供指导。 展开更多

关键词 干冰升华 散热器 相变 igbt模块

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车用双面散热功率模块的热-力协同设计 被引量：20

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作者 曾正 欧开鸿 +2 位作者 吴义伯 柯灏韬 张欣 《电工技术学报》 EI CSCD 北大核心 2020年第14期3050-3064,共15页

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... 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。 展开更多

关键词 功率模块 双面散热 多目标优化 热-力协同设计

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双面散热功率模块的热阻建模与测试表征研究 被引量：7

8

作者 余跃 曾正 +3 位作者 孙鹏 王亮 王金 欧开鸿 《中国电机工程学报》 EI CSCD 北大核心 2022年第1期290-301,共12页

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... 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。 展开更多

关键词 功率模块 双面散热 双通道传热 热阻建模 表征方法

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双面散热SiC功率模块的可靠性分析和寿命评估 被引量：13

9

作者 欧开鸿 曾正 +2 位作者 王亮 吴义伯 柯灏韬 《中国电机工程学报》 EI CSCD 北大核心 2021年第9期3293-3304,共12页

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... 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。 展开更多

关键词 双面散热 SiC功率模块 可靠性分析 寿命模型

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双面散热功率模块的低电感多端集成电容 被引量：1

10

作者 余跃 邹铭锐 +2 位作者 曾正 孙鹏 姜克 《电工技术学报》 EI CSCD 北大核心 2023年第8期2100-2115,共16页

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... 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。 展开更多

关键词 双面散热功率模块 低寄生电感 多端集成电容 端子优化布局

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基于多目标灰狼算法的PCS液冷散热器优化设计

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作者 姚钢 尤小龙 +3 位作者 周荔丹 罗承东 于天佑 王杰 《电工电能新技术》 北大核心 2025年第5期1-11,共11页

高海拔地区空气密度小、压强低、对流弱,传统风冷难以满足储能变流器(PCS)散热需求。为提升核心组件—IGBT模块在高海拔地区散热性能,本文首次提出了一种基于多目标灰狼优化算法(MOGWO)的PCS液冷散热器优化设计方法。首先,借助PLECS软... 高海拔地区空气密度小、压强低、对流弱,传统风冷难以满足储能变流器(PCS)散热需求。为提升核心组件—IGBT模块在高海拔地区散热性能,本文首次提出了一种基于多目标灰狼优化算法(MOGWO)的PCS液冷散热器优化设计方法。首先,借助PLECS软件建立中点钳位式(NPC)三电平LCL型并网逆变器仿真模型,计算出IGBT模块总功率损耗,并利用Solidworks绘图软件对IGBT模块进行三维建模。其次,设计一款具有蛇形流道的液冷散热器,分别采用MOGWO、多目标粒子群算法、多目标遗传算法对其内外结构变量参数进行优化,基于上述优化结果建立散热器三维模型。随后,借助有限元ANSYS-Fluent进行流固耦合仿真,仿真结果证明经MOGWO优化后的散热器性能提升幅度最高。最后,基于优化设计进行硬件组装,在高原环境下通过实验验证了设备运行的可靠性。 展开更多

关键词 高海拔地区 储能变流器 igbt模块 多目标灰狼优化算法 液冷散热器

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基于智能算法的双面散热SiC功率模块多目标优化设计 被引量：7

12

作者 张缙 刘智 +4 位作者 刘意 王见鹏 刘志红 山崎智幸 王来利 《电工技术学报》 EI CSCD 北大核心 2023年第20期5515-5529,共15页

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... 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。 展开更多

关键词 SiC功率模块 双面散热 多目标优化 人工神经网络 遗传算法

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新型环路相变热管散热器在模块设计中的应用

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作者 陈宏 唐子辉 +2 位作者 陈彦肖 张丹 王晶 《铁道机车车辆》 北大核心 2024年第6期59-65,共7页

阐述了新型环路相变热管散热器研发设计的背景及意义,并以高压大电流功率模块的电路拓扑、构成及主要技术参数为设计输入。首先对新型环路相变热管散热器的结构、换热原理及技术优势进行深入研究与分析;其次采用Flotherm仿真软件进行了... 阐述了新型环路相变热管散热器研发设计的背景及意义,并以高压大电流功率模块的电路拓扑、构成及主要技术参数为设计输入。首先对新型环路相变热管散热器的结构、换热原理及技术优势进行深入研究与分析;其次采用Flotherm仿真软件进行了满载工况下散热基板、IGBT模块及流场云图的温度场仿真;最后通过搭建联调试验平台,进行温升试验,验证了该设计方案的正确性、可行性、性能优越性。该新型散热器在轨道交通领域牵引功率模块的成功运用,突破了兆瓦级牵引功率模块一般只能采用水冷冷却方式的局限性。 展开更多

关键词 功率模块 igbt 散热器 Flotherm软件 联调试验

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一种双面散热SiC MOSFET功率模块的设计与测试

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作者 谭羽辰 任宇 +1 位作者 田世鹏 田明玉 《半导体技术》 CAS 北大核心 2022年第9期725-731,共7页

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,... 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。 展开更多

关键词 SiC MOSFET 功率模块 双面散热结构 寄生电感 有限元仿真

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大功率三电平变频器损耗计算及散热分析 被引量：54

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作者 景巍 谭国俊 叶宗彬 《电工技术学报》 EI CSCD 北大核心 2011年第2期134-140,共7页

准确计算功率器件损耗可优化变频器的散热设计。功率器件的导通和开关特性对温度比较敏感,损耗计算必须考虑结温的影响。本文分析了中点钳位式(NPC)三电平变频器功率器件导通和开关规律,在此基础上建立了一套实用的损耗计算方法。通过... 准确计算功率器件损耗可优化变频器的散热设计。功率器件的导通和开关特性对温度比较敏感,损耗计算必须考虑结温的影响。本文分析了中点钳位式(NPC)三电平变频器功率器件导通和开关规律,在此基础上建立了一套实用的损耗计算方法。通过热阻等效电路计算了功率器件的结温。对一台1MVA NPC三电平变频器在逆变和整流两种典型工况下进行了试验分析,采用红外热成像仪对功率器件的温度进行测量,计算和测量结果误差率在5%以内,验证了损耗计算的准确性。 展开更多

关键词 三电平变频器 igbt模块 损耗 结温 散热 热阻

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SiC功率模块封装技术及展望 被引量：10

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作者 蔡蔚 杨茂通 +1 位作者 刘洋 李道会 《汽车工程》 EI CSCD 北大核心 2022年第4期638-647,共10页

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... 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。 展开更多

关键词 功率模块 模块封装 失效机理 双面散热 烧结封装 银烧结技术 寄生参数

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变频器的热耗计算及散热分析 被引量：10

17

作者 刘玉芬 程洪亮 《电气制造》 2008年第3期60-62,共3页

阐述了IGBT模块热功耗的计算方法,并以变频器产品为例,利用Flotherm软件进行散热分析,通过详实的试验数据,说明了散热分析的重要性与实际意义。

关键词 散热分析 变频器 计算 热耗 igbt模块 试验数据 实际意义 热功耗

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