基于有限元法的IGBT模块封装散热性能及热应力的仿真研究

随着IGBT模块电流密度的不断增大、功率不断提升、体积不断缩小,IGBT模块内部发热量成倍增加,热量在内部堆积不易散发,温度引起的热学、力学载荷愈加严重,进而导致温度升高及热应力形变加重。若器件在此条件下长期运行,容易导致材料疲劳、可靠性降低、甚至影响使用寿命。因此,对IGBT模块封装的热可靠性相关问题的进一步探索和研究,揭示影响IGBT模块封装可靠性的主要因素,对IGBT模块结构优化设计、改善散热性能有非常重要的指导意义及工程实用价值。本文以改善IGBT模块散热性能为目的,以ANSYS有限元分析软件为平台,分别研究了复合材料导热性能、IGBT模块的散热性能以及热应力,并根据计算得到的IGBT模块封装的最高结温和最大热应力的结果,并对散热设计及结构优化提出建议。首先,参考复合材料实际的性能参数,模拟复合材料的微观结构,建立三维有限元模型,计算复合材料的等效导热率,其计算值与理论值、试验值能很好吻合,说明有限元方法计算复合材料导热率的可行性。在此基础上对复合材料导热性能的影响因素进行分析:基体导热率、填料导热率、填料体积百分数、填料分布、填料形状、填料取向及椭球填料颗粒长径比,并对改善复合材料导热性能的措施提出建议。其次,研究了IGBT模块封装的散热性能,建立切合实际的IGBT模块封装三维有限元模型,对温度场进行仿真。通过计算得到的IGBT模块封装的最高结温,研究基板、焊层、衬板的材料及其厚度对IGBT模块封装散热性能的影响,并对IGBT模块的散热设计进行分析,为其结构优化提供参考。最后,对IGBT模块进行热-结构耦合分析,用间接法分析IGBT模块封装的热应力分布,通过计算得到的IGBT模块封装的最大热应力,研究基板、焊层、衬板的材料及其厚度对IGBT模块封装最大热应力的影响,并提出IGBT模块结构优化的措施。