电动汽车用igbt模块液冷散热及封装可靠性研究

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1、电动汽车用IGBT模块液冷散热及封装可靠性研究重庆大学硕士学位论文（学术学位）学生姓名：陈清指导导师：陈清华教授专业：动力工程及工程热物理学科门类：工学重庆大学动力工程学院二O一六年四月LiquidCooledandPackagingReliabilityStudyofIGBTforEVAThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementfortheMaster’sDegreeofEngineeringByChenQingSupervisedbyPr

2、o.ChenQinghuaSpecialty:PowerEngineeringandEngineeringThermophysicsCollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity,Chongqing,ChinaApril,2016中文摘要摘要近些年电动汽车的发展十分迅速，其优良的环保节能特性受到越来越多人的青睐，IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor)是电动汽车必不可少的部件，起到电平转换、交直流变换、电池充电以及系统控制的作用。但其工作环境恶劣，耗散热流密度大、芯片封

3、装结构复杂。散热不足导致温度升高会造成芯片工作性能下降甚至烧毁；封装模块随着工作温度的变化会在内部产生热应力，应力过大或分布不均极易造成芯片与陶瓷层的断裂或封装材料疲劳失效。对此，本文分别从模块液冷散热与热应力两方面进行了详细分析与研究。在IGBT液冷散热模块研究中，本文详细分析了芯片的散热路径及其散热热阻，为散热方式的改进提供了有力的理论支撑。设计了一款能够方便、准确、经济比较不同翅柱类型散热和流阻的对比平台，利用该对比平台分析对比了8中翅柱类型，得出采用菱形60°角叉排翅柱可获得更好的散热和流动特性。同时本文针对翅柱冷板多因素多水平的优化

4、问题提出了采用均匀设计、回归分析和假设性检验的方法对冷板翅柱参数进行优化，将优化后的菱形60°角叉排翅柱与德国产InfineonHybridpack2模块进行对比，获得了更好的散热效果和更小的流动阻力，验证了该优化方法的可靠性和有效性。在模块封装热应力研究中，首先分析了芯片覆铝层及按层次封装方式对模块应力场的影响，结果显示覆铝层的存在会导致芯片上表面热应力显著升高，升高幅度可达25.3%；与实际情况更相符的按层次封装方式的焊料两端热应力显著小于对齐封装方式，模块最大应力值存在于DBC板陶瓷层。为改善封装模块恶劣的热应力环境，本文提出采用基板上

5、方添加缓冲层和基板开缝的方式来缓解热应力。分别详细研究了添加缓冲层与否、缓冲层厚度、缓冲层材料类型、三层梯度过度缓冲材料以及基板开缝方式对热应力的作用效果。结果表明：添加缓冲层可有效降低模块热应力；缓冲材料的厚度对应力场作用效果较差，随厚度增加热应力略有上升；三层梯度过度缓冲材料能进一步降低芯片热应力，减小封装材料之间的应力梯度；基板开缝方式亦可降低模块热应力，开缝数目对应力降低效果无显著影响。合理的散热措施、模型优化方法、应力缓冲材料以及基板开缝方式对于提升电动汽车IGBT模块的可靠性和安全性必不可少。关键词：IGBT，翅柱，散热，热应力，

6、缓冲层I英文摘要ABSTRACTInrecentyears,EV(ElectricalVehicle)hasachievedarapiddevelopmentbecauseofitsenvironmentalandenergysaving.IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor)isanimportantandessentialcomponentofEV.Itplaysaroleoflevelswitch,AC-DCconversion,batterychargingandsystemcontrol.Butit

7、hasaharshworkingenvironment,largedensityofheatdissipationandacomplicatedpackagingstructure.Poorheatdissipationleadtotemperatureincreaseandwillcauseperformancedegradationevenburnedup.Itwillcausethermalstresswhentemperaturechangesofpackagingmodel.Excessiveandinhomogeneityther

8、malstresswillcausecrackofchipandceramiclayer,leadtofatiguefailureofpackagingmodel.