电子封装的边界条件独立热阻网络模型的研究

研究倒装陶瓷球栅阵列(flip chip ceramic ball grid array,FC-CBGA)电子封装的边界条件独立热阻网络模型.依据热模型的研究路线图,采用三维有限体积法,建立了详细热模型,所得热阻与模拟冷板实验结果对比的平均误差为3.78%,验证了详细热模型的准确性.在此基础上,建立了FC-CBGA三热阻网络模型,它与详细热模型在加装冷板、热沉、强制对流等21类边界条件下的结温对比误差均小于4%.结果表明,该热阻网络模型具有边界条件独立性,结构更加简单,能快速准确地获取电子封装的结温与热阻,可完全替代详细热模型来分析电子系统的热流路径和热管理.     

功率LED芯片键合材料对器件热特性影响的分析与仿真

针对倒装型功率发光二极管器件,描述了功率LED器件的热阻特性,对不同芯片键合材料的功率LED热阻进行了分析,并运用AN SY S软件对3类典型芯片键合材料封装的功率LED热特性进行了仿真。仿真结果表明:采用功率芯片键合材料提高了功率LED的散热特性、降低器件PN结温,而采用普通热沉粘接胶作为芯片键合材料的功率LED的PN结温则较高,因此普通热沉粘接胶不适合用作功率LED的芯片键合材料。     

绝缘栅双极型晶体管失效机理与寿命预测模型分析

针对绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的主要失效机理,特别是键合引线失效过程,采用高速红外热成像仪对键合引线失效过程的结温温度场分布实时探测试验,同时对IGBT模块电气与传热特性进行监控,发现IGBT在高结温与高温度梯度时主要的失效形式是键合引线翘曲与熔化,在外部特性上表现为集射极压降值增大,而热阻基本不变.提出了提高器件可靠性、延长使用寿命的方法.在加速寿命试验原理的基础上,通过开展高温下的功率循环测试,并对试验数据进行拟合,得到了加入电流等级和最高工作结温的改进寿命预测模型.通过试验数据误差分析对比,发现该模型精度较原有模型在不同测试条件下均有提高,适用范围从80 K拓宽到100K.     

高阻硅片对紫外LED散热性能的影响研究

紫外LED因光谱单一、体积小、冷光源、无热辐射等特点逐渐取代传统汞灯,并广泛应用于油墨固化、医学光疗、消毒杀菌等领域,而功率型紫外LED器件散热问题是制约其性能提高和应用的瓶颈。基于陶瓷大功率LED封装平台制备了引入高阻硅片功率型紫外LED器件,研究发现引入高阻硅片的紫外LED的器件具有较高的光功率,但其热阻及结温均高于无硅片紫外LED,这归因于加入高阻硅片结构增加了芯片散热的传导路径。该工作对实际工业封装技术路线具有指导意义。     

用于高功率半导体激光器列阵散热的微通道热沉的研制

理论分析了微通道热沉的热阻的组成,采用微机械加工技术和铜直接粘接技术(DBC)制作了冷却大功率半导体激光器列阵的5层结构的无氧铜微通道热沉;通过测试,用其封装的808 nm线阵二极管激光器准连续输出功率达38.5 W,无氧铜微通道热沉热阻为0.645℃/W,热沉的表面温度均匀性好,能有效散热,满足散热要求.     

大功率IGBT模块瞬态热阻的测试方法与装置

为了表征大功率绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块的瞬态热响应行为,设计并实现了一种基于电学法的IGBT模块瞬态热阻测试装置.通过改变热阻测试装置的加热脉冲持续时间,使其等于不同材料层的热时间常数,控制热流在IGBT模块封装材料中的有效传播路径,进而获得各封装材料的瞬态热阻.此外还具体分析了高低电平转换过程中暂态噪声和边界散热条件对测试结果精度的影响规律.结果表明,该装置具有较好的精确性和重复性,这将有助于准确无损分析器件及不同封装材料在瞬态条件下的散热性能,指导IGBT模块封装结构设计和封装材料选择.     

脉冲功率器件RSD热阻的计算与研究

热阻是半导体功率器件的基本特征和重要参数。本文首次提出RSD热阻的计算,根据RSD热阻网络模型,引入加热、测量电流合二为一的方法计算RSD的热阻,最终得到RSD的热阻值为0.3℃/W。较小的热阻可使RSD应用于重频脉冲功率领域而不发生热失效。实验得到了500Hz频率下RSD的开通特性,RSD运行时间为20s,以保证器件达到热平衡。波形显示RSD重复开通特性良好,通过对电流电压积分得到RSD消耗的功率约为8W。据此,可得到RSD在1.2kV峰值电压下运行20s时的结温为60.8℃(RSD运行频率为500Hz)。结果表明RSD是理想的脉冲功率开关,其工作频率可大幅提高。     

混合封装电力电子集成模块内的传热研究

采用混合封装电力电子集成模块的热模型对模块内功率电路向驱动保护电路印刷电路板(PCB)的传热进行了研究，确定了功率器件在不同的发热量下器件和驱动保护电路PCB上的最高温度．实体模块的测试结果与热模型的计算结果良好的一致性表明：功率器件到模块内铜基板底面间的热阻为0．45℃／w；驱动保护电路PCB受功率电路的传热影响显著；在自然对流散热的情况下，功率器件的温度达到85℃左右时，PCB上的最高温度已接近70℃，此时功率器件的发热量为45W．     

三相逆变器中绝缘栅双极型晶体管模块结温仿真评估

绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块的工作性能和可靠性以及逆变器中IGBT模块散热系统的设计等均与其工作结温直接相关,掌握器件的结温状况对于确保其安全可靠的使用和冷却装置的合理选择具有重要意义。推导获得基于数学方法的IGBT模块损耗模型和实现热电模拟的Foster热网络模型,基于此在MATLAB/Simulink中建立了简单实用的三相逆变器中IGBT模块结温仿真评估模型,同半导体器件制造商软件计算方法相比,加入了热电耦合因素,可以更真实地模拟器件芯片结温状况,并分析了不同负载工况下IGBT模块结温的变化趋势     

电动汽车电机控制器IGBT结温计算方法与验证

电动汽车电机控制器中的主要热源是绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)模块,其最大结温的高低是影响控制器可靠性的关键因素。为保证IGBT模块最大结温始终在其允许工作温度范围内,采用水冷方式对其进行散热。文章以某款纯电动汽车电机控制器为研究对象,结合传热学基本原理,提出了一种水冷散热器热阻估算方法,并用该方法得到的热阻值直接对IGBT模块结温进行计算;为验证计算方法的有效性,利用数值模拟的方法对水冷散热器内部流场以及IGBT结温进行仿真分析,同时进行试验测试,并将得到的3组结果进行对比。结果表明,该文提出的计算方法可以准确地得到IGBT在不同工况点的结温。     

大功率LED封装散热关键问题的仿真

基于ANSYS有限元软件对目前3种典型LED封装结构的温度场进行模拟分析.通过比较得出,优化封装结构可以有效地提高LED散热性能,途径最佳的是减少热沉数量,次之为降低热沉热阻;经与热对流方式对LED散热效果比较,发现优化封装结构降低结温的效果并不明显.而在可实现的光转换效率下,经过必要的选材优化后,强制对流是最有效解决散热的方法.     

功率器件芯片封装和静电放电失效分析

针对一般失效机理的分析可提高功率半导体器件的可靠性.利用多种微分析手段,分析和小结了功率器件芯片的封装失效机理.重点分析了静电放电(electrostatic discharge,ESD)导致的功率器件失效,引入了ESD电热理论模型.实验证明,该模型能快速准确地分析金属引线的抗ESD强度.     

绝缘栅双极型晶体管脉冲工作时结温特性及温度分布研究

建立了电热耦合和损耗热场耦合计算模型,采用该模型,获得了相同外部条件下的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)芯片结温波动特性及温度分布特征,完成了使用红外热成像实时探测短时脉冲工作方式下IGBT芯片表面温度波动及分布特性的预测.探测结果表明,在一定散热条件和占空比不大的情况时,短时脉冲间歇等非周期瞬态工作方式下芯片表面温度快速上升之后,进入一个缓慢的上升周期,实验也表明,在特殊工作场合时可突破器件手册推荐使用的最大电流值.利用建立的热分析模型,还可以实现对不同工作方式下器件结壳温差和结温波动幅度的预测.     

功率器件主动热控制的PI参数优化方法

为了提高功率器件结温控制精度,提出了功率器件主动热控制的参数优化方法。基于功率器件主动热控制原理和热网络模型,构建比例-积分(PI)参数优化的目标函数。利用遗传算法对目标函数进行求解,获得最优PI参数。为了验证方法的有效性,以功率MOSFET构成单相全桥电路,以电流动态限幅为手段,在不同的电流限幅最大值、器件初始结温和环境温度等情况下,对功率器件进行了主动热控制仿真与实验。结果表明,该文PI参数优化方法能够提升功率器件结温控制准确性。     

PBGA封装体的热-结构数值模拟分析及其优化设计

基于热弹性力学和结构优化理论,针对典型的PBGA封装体在工作过程中的受热问题,建立了有限元数值模拟分析模型,模型中考虑了完全和部分两种焊点阵列形式,采用了基于散热功率的热生成加载、热循环加载和热循环、热生成综合加载三种方式．计算结果与文献中的实验结果进行了比较,并讨论了各层材料的主要参数对封装体热-结构特性的影响,算例结果表明对电子封装体的热-结构特性分析采用有限元数值模拟是可行的,并据此分别以最大应力最小化和封装体质量最轻为目标,对封装体进行了优化设计,为提高封装件的可靠性和优化设计提供了理论依据．     

IGBT功率模块热管理研究

随着绝缘栅双极晶体管(IGBT)向高功率和高集成度方向发展,在结构和性能上有很大的改进,热产生问题日益突出,对散热的要求越来越高,IGBT芯片是产生热量的核心功能器件,但热量的积累会严重影响器件的工作性能。因此,对IGBT模块的温度进行有效地检测和管理是十分重要的环节。综述了IGBT模块的研究现状、研究热点以及散热相关技术,主要介绍了主动散热和被动散热的方法、以及IGBT功率模块的热阻网络系统和散热系统设计的主要步骤,和减小热阻来增强散热的方法。     

国产WCu热沉与氧化铝陶瓷匹配封接研究

采用有限元仿真软件建立了WCu热沉-陶瓷功率集成电路外壳的三维计算模型,并对不同Cu含量WCu热沉的封装残余应力进行了计算,从理论上分析了WCu热沉Cu含量对封装结构变形和残余应力分布的影响。结果表明,在Cu含量10~20%范围内,随着Cu含量的增加,陶瓷件的峰值应力由大变小,后又升高,应力集中位置也发生转移;热沉变形方向由正向弯曲逐渐变为负向弯曲,该规律得以试验验证。研究结果对该结构封装外壳可靠性评估和优化设计具有指导意义。     

电力半导体器件和装置的功率损耗研究

为了提高电力电子装置和电力半导体器件的运行可靠性 ,提出了估算电力半导体器件损耗和结温的热 -电联合计算方法。基于电力半导体器件的瞬态开关特性的测量 ,构造了器件精确的损耗数学模型 ,同时考虑了器件的结温对器件损耗的影响。在单个器件损耗模型的基础上分析了电力电子变换装置的损耗 ,分析了装置中器件及其散热系统组成的热阻网络及各器件的结温。最后设计了两类实验装置分别验证损耗计算的精度 ,与实验结果的对比表明该方法为合理地设计器件的散热系统、提高电力电子变换装置的效率提供了有效手段。     

单回路脉动热管传热性能的试验

通过对单回路紫铜-水脉动热管在风冷方式和定热流加热条件下,稳定运行时的传热性能的试验研究,得到管壁温度沿管长的变化规律,冷热段均温和温降(或温升)、传热温差、传热热阻随传热功率的变化特性.分析了充液率和管径对热管传热性能的影响.结果表明:冷热段均温、传热温差随传热功率的增加而增大,传热热阻随传热功率的增加而减小;小传热功率时,传热热阻对传热功率、管内径和充液率的变化较为敏感;减小充液率,增大管内径,增加传热功率可明显降低热管的传热热阻;较高传热功率时,充液率、管内径和传热功率对传热热阻的影响较小,影响传热热阻的主要因素是冷却热阻,可通过增加管外径或改善冷却条件来降低传热热阻,提高传热性能.     

LED结温的影响及测量方法

对于LED器件来说,结温是最重要的热性能参数之一,结温的大小对LED器件的输出功率以及可靠性具有很大的影响。超过一半的LED灯具的输入功率以热的形式被浪费,散热问题是LED灯具设计师所面临的最关键的问题。因此,获得准确的结温信息对于监控和评估灯具的健康状态至关重要。主要介绍结温对LED电学参数、LED发光特性以及LED器件的寿命的影响,然后对LED结温的测量方法包含正向电压法、管脚温度法、蓝白比法、红外热成像法、光谱法等进行详细描述并且分析彼此的优缺点。