结温特性（精选4篇）
结温特性 篇1
0引言
高空飞行器在临近空间快速飞行时发热大、散热差, 其驱动系统热负荷压力大, 而且由于内部留给供油驱动系统的空间狭小, 迫使系统中IGBT模块的功率密度越来越高, 导致模块承受很高的热应力, 最高结温可能达到极限值。这直接影响IGBT模块的寿命及系统可靠性。文献[1]指出近60%的器件失效由温度升高引起, 在正常工作温度范围内, 温度每上升10 ℃, 器件失效概率以近2倍的速率上升。
相关文献对IGBT结温进行了研究, 文献[2]对在脉冲工作方式下, IGBT结温进行了相关研究;文献[3]对变频器稳定运行时, 其IGBT模块的平均结温进行了计算, 这种方法对于功率密度较低、稳定运行的场合有着普遍的参考意义。与之不同的是, 对于高空飞行器在其发射和飞行过程中, 供油驱动系统会工作在短时脉冲过载及输出低频特有运行状态, 此时系统中IGBT模块的最大结温在短时间内上升很大, 结温波动范围变化剧烈, 导致IGBT性能衰减甚至损坏, 这种情况下不宜采用结温平均计算法。因此, 本文对高空飞行器整个飞行过程中, 供油驱动系统IGBT模块结温特性尤其是在短时脉冲过载、输出低频两种特殊运行状态下模块的结温特性进行了深入研究。
1驱动系统工作特性分析
高空飞行器供油驱动系统工作特性如图1所示。
由图1可知, 当高空飞行器在发射及突然加速时, IGBT模块要在短时间内导通相当大的电流, 可能会超过器件的额定连续直流工作电流, 接近其可重复关断峰值电流, 因而会在短时间内产生很大功耗[4]。此时, 供油驱动系统工作在短时脉冲过载状态, 由于器件本身热容原因热量的发散需要相对较长的时间, 导致器件结温在短时间内上升很大。
对供油驱动系统而言, 除了要考虑短时脉冲过载时结温特性, 输出低频率也是一个关键参数。飞行器发射阶段, 供油驱动系统带载工作在较低的输出频率状态, 此时尽管IGBT模块平均损耗维持恒定, 但仍可导致其最高温度的提升[5,6]。由于IGBT模块的热时间常数小于1 s, 在中高频下, 半导体 (表层) 的平均热容可对温度曲线起到平滑作用。然而在低频下, IGBT导通和关断时间间隔较长, 结层温度随着模块导通时间内功耗变化而变化, 导致IGBT模块结温波动范围变大。
2改进型非稳态热模型建立
IGBT模块封装由很多不同材料的层组成, 导致建立IGBT的热模型相当复杂。通常IGBT模块可分为如图2所示的7层[7]。
通常情况下, IGBT模块封装结构内, 各层介质材料厚度极薄, 其内部各层结构可以近似地视为无限大平壁, 且其与外部环境几乎不进行热交换[8], 因而IGBT模块封装的各层结构的毕渥数Bi V<1, 故IGBT模块的非稳态导热问题可采用集总参数法计算。
由于Cauer热网络必须知道各层参数真实值使得参数提取相当复杂[9], 所以本文采用Foster热网络。Foster热网络是采用解数学方程组、Matlab或Saber软件中拟合工具箱的方法利用公式对IGBT模块的瞬态热阻抗曲线进行拟合, 从而提取各个节点处的热阻和热容参数[10]。通常认为4阶热网络已具有很好的精确度。
IGBT模块产生的热量相当于点热源传导到散热器, 较均匀分布热源的热阻高, 因此考虑使用校正系数来改善此种情形对散热器热阻的影响。同时考虑除了IGBT模块外其他器件使得散热器发热, 可以把除IGBT模块外所有器件作为一个额外的损耗来计算, 改进型系统Foster等效热抗模型如图3所示。
根据图3所示的等效热抗网路模型, 可以得到热阻抗解析表达式:
式中:Rth i为第i个节点的热阻值;τi为第i个节点的时间常数, τth i= Rth i⋅ Cth i, Cth i为第i个节点的热容值。
3短时脉冲过载时结温特性分析方法
幅值为P0的矩形单脉冲作用于IGBT时, 所引起的结温Tj自初始温度Tj0变化如图4所示。
IGBT结温在脉冲宽度为t1的时刻上升到最大值, 结温变化量可表示为:
则最高结温为:
对于散热阶段, 结温变化可表示为:
当IGBT模块在毫秒级连续重复脉冲的工作方式下, 且脉冲的间隔时间不足以使结温恢复到初始值, 此时IGBT结温的上升与波动过程如图5所示。
由图5可知当IGBT导通时结温开始上升, 关断后结温开始下降, 但是在下降阶段, 间隔时间不足以让结温回到初始值, 就又进入另一个上升过程。结温在连续脉冲的反复作用下累积上升, 直到某个脉冲周期所对应温度波动的起点与终点相等为止[11]。此时, 结温进入周期性的近似等幅波动状态, 表明热量的产生与散失已达到动态平衡。在供油驱动系统中, 油冷散热器的热惯性远大于IGBT模块的热惯性, 且供油驱动系统功率脉冲的频率为几千赫兹甚至几十千赫兹级, 故可认为模块壳温保持不变。
这里平均结层温度Tj av是静态热阻Rth同总功耗平均值Pav的乘积。最高结温是在脉冲P (tp) 结束的时刻, 变化量为:
式中T为脉冲周期。
由上分析可知, 短时脉冲过载时结温比稳定运行时大。因此, 在IGBT模块应用和供油驱动系统散热设计时必须考虑到波动的最高温度Tj max。
4输出低频时结温特性分析方法
由于输出频率的降低使得IGBT模块结温在平均温度以上出现比较明显的高温峰值, 如图6所示。
对这种效应的处理办法, 可以把周期内功耗平均值等效成正弦半波所导致的功耗, 然后利用等效后的正弦半波源和系统的热阻抗来计算结温的最大值, 如图7所示。
由图6可知, 临界情况出现在供油驱动系统输出频率f = 0 Hz时, 此时均值计算中用到的周期T为无穷大, “无穷大”同时也意味着该状态下的开关时间要远大于系统的热时间常数。事实上, 飞行器发射时供油驱动系统从停止状态起动的过程中, 频率并不是纯数学意义上的0 Hz开始的, 第一个周期的时间是有限的。
5供油驱动系统IGBT模块结温仿真
本文以某型号高空飞行器供油驱动系统带载一体化燃油泵为例, 对飞行器整个飞行过程中, 供油驱动系统IGBT模块结温特性进行仿真。
结合上文分析, 采用Semisel仿真软件对供油驱动系统在过载 (1.5倍额定电流) 、低频 (5 Hz) 、“过载+低频”三种运行状态下供油驱动系统IGBT模块结温特性进行仿真分析, 如图8所示。
图8前5 s为驱动系统额定运行待结温稳定之后, IGBT及FWD最高结温在三种特殊运行状态下包络线; 后5 s为恢复额定运行后结温特性曲线。对比图8三种运行状态结温特性曲线, 可知:在过载和低频时, 最高结温明显较额定时增大, 且在低频时, Tc、Ts不变, TD max、TTr max增大, 即结温平均值不变, 但是结温波动范围增大。
图9为飞行器整个飞行过程中供油驱动系统的运行状态图。
根据图9的供油驱动系统运行周期, 仿真可得整个运行过程中的IGBT模块最高温度包络线, 如图10所示。
供油驱动系统在带载一体化燃油泵加速启动阶段 (0~5 s) , 驱动系统IGBT最高结温135 ℃, FWD最高结温127 ℃;稳定运行阶段 (5~130 s) , IGBT结温105 ℃, FWD结温98 ℃;在短时脉冲过载阶段 (130~140 s, 150~ 158 s) , IGBT最高结温126 ℃;FWD最高结温112 ℃。分析可知在启动阶段IGBT和FWD最高结温较稳定运行时分别增加28.6%, 29.6%;在短时过载阶段IGBT和FWD最高结温分别增加20%, 14.3%。
6结论
本文对高空飞行器供油驱动系统IGBT模块的结温特性展开研究, 概述了IGBT物理结构、热阻网络, 理论并结合仿真对IGBT模块在短时脉冲过载及低频时的结温特性进行了研究分析。由仿真分析可知, 在飞行器整个飞行过程中, IGBT模块会出现较高的高温尖峰。因此在供油驱动系统的设计和IGBT模块的选型阶段, 必须考虑短时脉冲过载、输出低频运行时的最高结温。这样才可以保证供油驱动系统在各种状态下的可靠运行, 确保飞行器按照既定路线飞行。
摘要：对高空飞行器供油驱动系统在特定负载状态下的IGBT模块结温特性进行研究。高空飞行器对供油驱动系统的高功率密度要求高及环境散热条件差的状况, 使得其关键部件IGBT模块在功率裕量与结温控制方面更为严格。根据负载特性精确计算结温, 对于在特定散热条件下系统的可靠运行非常重要。运用非稳态导热的Foster集总参数法, 分析IGBT模块点热源特性及其他热源对计算影响, 建立一种含校正系数的热网络模型, 并在短时脉冲过载及输出低频两种特有状态下, 对IGBT模块的结温特性进行分析。通过对高空飞行器飞行过程中IGBT模块结温特性的计算, 结合仿真软件Semisel的对比分析, 验证了建模和分析本文所提方法的有效性。
关键词：IGBT,短时脉冲过载,输出低频,结温特性
参考文献
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结温对LED性能的影响分析 篇2
近几年来,发光二极管(Light- Emitting-Diode LED) 作为第四代光源发展非常迅速。因为其在很多方面相对于传统光源而言具有较多优势,比如寿命长、污染低、效率高、工作温度低等,使得LED在诸如信号灯、背光源、汽车灯、普通照明等多个领域都有广泛的应用。但是LED器件的发光强度、发光效率以及使用寿命等因素受LED热学性能影响了非常大,热量问题已经成为LED发展的一个瓶颈问题。也基于此,目前国内很多LED研究人员对散热做了大量的研究,本文主要阐述结温对LED性能的影响。
2 Led结温产生的原因
LED的核心部分是P-N结,其实PN结的结温的定义就是当PN结两端有电流流过时,PN结的温度会升高,PN结的温度成为LED结温。结温产生的原因比较多,主要的原因有:
1 LED器件的注入效率导致结温升高,因为注入效率不会达到100%,电子和空穴复合的时候不会100% 全部以光子的形式释放出能量,因为在LED工作时除了P区向N区注入电荷以外,N区也会向P区注入电荷,一般情况下,N区向P区注入的电子不会产生光电效应,而是以发热的形式消耗掉了。
2 PN结存在电阻,也就是器件电极结构也会导致热量的产生,窗口层衬底、PN结区的材料以及银胶等均存在一定的电阻值,这些电阻值相互叠加,构成LED的串联电阻。当电流流过P-N结时会产生热量导致结温的升高。
3不能忽视的一个主要原因则是出光效率,它易导致LED结温升高。与周围其他介质相比较而言,LED芯片材料具有较大的折射系数,从而导致芯片内部产生的大部分光子(>90%)会在芯片与介质面产生全发射,无法顺利地溢出界面,最终被芯片材料或衬底吸收,形成热量后会致使结温升高。
4另一个决定结温高低的因素是LED器件的热散失能力。散热能力强,热量传导到空气当中的速度快,结温较低, 反之,散热能力差时结温较高。
3结温的测量
目前市场上有多种结温测量方法:
(1)利用不同温度下的频移来测温结温,也就是拉曼光谱法测试结温,这种测试方法是基于拉曼散射谱中的谱线来进行测试,这种结温测试的原理是LED的发光峰值波长和LED芯片之间存在一个关系式,这样可以获得芯片内部不同微区域的温度分布。
(2)第二种最直接的方法是将微型温度传感器植入LED封装模块中,通过传感器所获得的温度与热敏电阻关系式推算结温,这种测试方法能比较实时的测出LED结温,但同时这种方法也存在一定的缺点,也就是增加了封装级的成本。
(3)就目前而言,常采用电学法进行结温测试,利用此种方法便可通过脉冲控制方式获取动态结温。
4 LED结温特性研究分析
4.1实验
首先将表面覆有氧化膜的铝板样品的制备 :开料→钻孔→干膜光成像→检板 →蚀刻→蚀检→绿油→字符→绿检→喷锡→铝基面处理→ 冲板→终检→包装→出货。
然后是进行整体封装 :
(1)首先是固晶:银胶作用:固定芯片、导电、导热;基板作用:固定芯片、电路走线、散热。烘烤注意事项:1) 固晶完毕的材料必须在1小时内放入烤箱烘烤。 2) 调节好烘烤温度,注意烘烤时间。
(2)焊线: 1)焊线就是把芯片和基板上的电路进行连接导通,使芯片在通电情况下正常发光。
(3)围坝:围坝主要为了方便后面点荧光粉工序和发光面积的需要。围坝好的材料必须在1小时内放入烤箱烘烤。(注意:必须使用专用烤箱,不能与固精烤箱混用。)
(4)匀底胶:先配胶水,胶水配好后开始搅拌;抽真空,抽出搅拌时产生的气泡。 温度:45℃。时间:无气泡时;匀胶。把胶水均匀覆盖在基板上;抽真空,抽出匀胶时产生的气泡。温度45℃。时间:是一直到无气泡时。
最后就是进行短烤长烤,然后进行测试分光:送入分光分色机里进行测试分BIN项目,检测光源光通量、显色指数、相关色温、电压、电流、电性不良,最后进行老化测试。
然后进行结温的测量:在制备好的一体化封装结构的大功率白光LED铝基板的背面开出一条狭窄的槽子,槽子的厚度远小于基板的厚度,然后将测温计的测量头放在槽子里、并在芯片的正下方,然后涂覆导热胶,将加热板压在上面,最后用胶带固定,通过控制加热板的温度,使其对LED芯片加热,从而测量结温。
4.2实验结果分析
上图为不同结温下的白光LED样品的绝对光谱图,从图中可以看出,在6组不同的结温下,白光LED的相对光谱中均存在两个辐射峰,一个为蓝光波峰峰值为450nm、另一个为黄光波峰,峰值在580 nm附近,,随着结温不断升高,白光LED的绝对光谱的左峰,即蓝光芯片的辐射波峰峰值在不断的衰减,共衰减了27.73%,其辐射光谱的右峰峰值也在不断的衰减。主要原因有:1) 由于LED蓝光芯片结温逐渐升高,荧光粉层温度也会不断的升高, 同时荧光粉的效率也会下降,导致LED整灯的发光效率下降。
2) 温度的升高降低了蓝光芯片的辐射复合效率,减少了蓝光辐射,降低了电光转换效率,同时也降低了相应荧光粉的发光效率;
图2表示的是不同结温下的白光LED的光效和CRI,从图2可以看出,随着蓝光芯片结温的升高,白光LED的发光效率和显色指数都有明显的变化趋势,首先发光效率成一直下降的趋势,而显色指数先下降然后再上升。上述现象主要是:1) 由于红黄蓝三种光的辐射能量出现了不同幅度的衰减,所以红黄蓝三种光的辐射能量的比例也在不断的发生变化,即先远离标准比例然后再接近标准比例,才导致了白光LED的CRI先减小后增大的变化趋势。2)随着蓝光芯片结温的升高,其辐射复合效率降低了,降低了LED电光转换效率,同时减少了蓝光辐射,从而导致白光LED的发光效率不断的下降。
5总结
本文通过对LED结温的产生的原因以及对整体封装LED的影响等方面的分析,得出结温在LED封装过程中对LED色温、显色性等方面会产生至关重要的重要,最后通过数据给出结温对发光效率以及显色指数的影响,随着蓝光芯片结温的升高,白光LED的发光效率在逐渐降低, 在LED封装过程中应采取合理的方法和手段来降低结温。
摘要：本文对LED的结温定义、结温产生的原因、结温的测量以及结温对白光LED的影响做了比较详细分析,得出结温对LED性能的重要影响,并给出仿真图解释了结温对光谱以及显色性的具体影响。
结温特性 篇3
IGBT由于其导通电流大、通态压降低等优点被广泛应用于高压大容量电力电子领域。然而,在高频大功率工作中,IGBT内部产生相当大的开关与导通损耗,导致功率器件内部芯片结温上升。研究数据表明,大约60% 的失效是由结温过高引起的,结温每上升10℃,器件失效率提高一倍[1]。但随着IGBT功率等级与密度的提高,更高的电流密度与更小的封装体积导致芯片热量集中度进一步加剧,极大降低了器件运行可靠性。
为此,研发人员一方面在器件选型时往往降额使用IGBT或者选用体积庞大的散热系统,这种作法不但没有充分利用资源,而且无法满足高功率密度的要求[2]; 另一方面,芯片结温是由器件及其散热系统的热阻共同决定,故文献[3-5]对热阻进行了研究。但稳态热阻,只能用于预测平均结温,当功率器件承受脉冲功率时,其芯片的瞬时结温可能会远高于平均结温。若已知IGBT的瞬时损耗,便可通过由瞬态热阻抗组成的热-电耦合模型计算出瞬时结温[6],该方法有助于功率器件的封装设计和选型。
本文阐述了用于结温预测的热-电耦合模型建模方法,包括有限元法提取瞬态热阻抗以及利用热特性RC等效网络建模并计算结温; 并以赛米控IG-BT模块SKM200GB12T4 为例,提取其瞬态热阻抗,所得结果与厂商数据吻合,并且仿真结果表明,热阻抗曲线在不同的温度、功耗下几乎保持不变; 对IG-BT模块、散热器整体提取瞬态阻抗后,利用RC等效网络构建热-电耦合模型,得到特定功率下的动态结温,为提高高压大容量电力电子装置的可靠性提供了技术参考。
2 热-电耦合模型
2. 1 瞬态热阻抗的提取
2.1.1有限元软件简介
ANSYS是常用的有限元分析软件,被世界各国工程师广泛使用,可进行结构静力、结构动力学、结构非线性、动力学、热学、电磁场、流体动力学、声场、压电等领域的分析[7]。有限元分析的基本过程: 建立实体模型、定义材料热物理属性、网格划分、定义载荷和求解并提取结果等[3]。
2. 1. 2 有限元法提取瞬态热阻抗曲线
实体模型建立: 建立实体模型需要测量实物的三维尺寸以及各部件间的位置关系。IGBT模块实体模型的建立比较复杂,模块封装往往由很多层不同热物属性的材料叠加而成,并且不同器件厂商采用的材料与制造工艺也均不相同。通常,IGBT模块采用如图1 所示的7 层结构,每一层结构的热物属性、尺寸厚度以及各层相互间的位置关系都会对热阻抗产生影响,因此,在建立实体模型时应精确测量每一层尺寸以及各层相互间的位置关系。此外,器件内部的铝丝键合线直径十分微小并且模块内部灌装硅胶,芯片产生的热量几乎全部由下方的焊料层导出,故铝丝键合线几乎不传导热量可以忽略[8];对于散热器进行实体建模同样需要测量散热器的基板、肋片以及肋片间隙等相关参数。
材料热物属性设置: 许多文献[2 ，3]列出的热物参数都是在某一温度下测得的。实际上,材料的热导率等参数都与温度有很大的关系。作为IGBT芯片的主要材料,硅的热物属性随温度变化比较明显,当温度从300K升高到400K时,硅的热导率下降约31% ,相对于半导体材料,金属的热导率随温度变化不明显,当温度从293K升高到473K时,热导率仅下降2% ,焊料层的热导率随温度的变化也很小,并且厚度较薄,可予以忽略[9]。考虑到温度的影响,硅的热导率K、比热容c可根据式( 1) 、式( 2) 进行设置[10],其中T为温度。
热载荷定义: 由于IGBT模块在工作中产生功率损耗,故可将热生成率作为热载荷施加在芯片上。根据传热学的基本理论,传热分为传导、对流、辐射三种基本形式[11]。热量在模块各层之间传导,同时也会与外界产生对流和辐射。但由于IGBT模块各层的导热系数较高,热量主要在层间进行传导,最后通过散热系统将热量传递出去,故可忽略对流和辐射等其他散热途径[3]。
求解并提取结果: 瞬态热阻抗Zth可定义为传热通道上两点间的温度差( Tx- Ty) 与通道上功耗P之比,如式( 3) 所示。当功耗作用时间足够长时,瞬态热阻抗趋于稳定,此时瞬态热阻抗Zth即为热阻Rth。在传热通道的任意点设置温度探针,可记录该点随时间变化的温度数据。若求两点间的热阻抗,将两点间温度数据代入式( 3) ,可得到两点间的瞬态热阻抗曲线。
2. 2 热特性RC等效网络
根据电-热比拟理论[12],功耗P、温度T、热阻R、热容C可分别用电流、电压、电阻以及电容来比拟。半导体器件的热特性可用RC等效网络来描述,如图2 所示,其中Tj、Tc分别代表芯片结温与壳温。
图2( a) 所示的Foster网络抛开了器件内部结构,不考虑内部每一层结构的热阻和热容,通过将实验测到的瞬态热阻抗曲线进行指数级拟合,从而获得所需参数,由于该电路结构便于计算,大多数芯片公司的数据手册提供这种网络结构( 如英飞凌公司) ; 图2( b) 所示的Cauer网络则反映了器件内部各层实际物理结构的热阻和热容,只有当得知所有的物理层结构和特性后才能建立该网络结构,该网络很难通过实验方法得到[2，13]。
在得到瞬态热阻抗曲线后,利用Matlab下的Cftool工具箱参照式( 4 ) 拟合结壳热阻抗Zthjc以及壳经导热硅脂、散热器到环境的热阻抗Zthca曲线。本文采用Foster网络结构,最终得到的热-电耦合模型如图3 所示,其中Ta为环境温度。
3 热-电耦合建模实例
3. 1 IGBT模块瞬态热阻抗的提取
本文以赛米控IGBT半桥模块SKM200GB12T4为有限元分析对象。精确测量模块内部各层尺寸及位置关系后,可得到IGBT模块实体模型。由于模块结构对称,为减少计算工作量,可取其1 /4 结构进行分析,模块实体模型如图4 所示。
该模块各层材料的热物理属性参数设置见表1[14]; 芯片的热生成率设置为5 × 109W / m3,模块基板与空气接触侧面的换流系数设置为10W/m2·℃,模块底部的换流系数设置为5000W/m2·℃,以模拟散热器的作用[3]。
有限元分析与厂商提供的IGBT芯片及二极管芯片的热阻抗曲线对比分别如图5 和图6 所示,所得到的结壳热阻抗曲线与厂商提供的热阻抗曲线吻合,证明了有限元仿真的正确性。
器件厂商提供的数据手册只是给出IGBT与二极管芯片的结壳热阻抗曲线,但是并没有为用户提供实验所处的温度与施加的功耗。为了验证器件厂商所提供的热阻抗曲线普适性,现将环境温度分别设置为25℃ 和80℃ ,经有限元仿真后得到IGBT芯片结壳热阻抗曲线对比如图7 所示; 将IGBT芯片功耗分别设置为45 W与450 W,得到不同功率下IGBT芯片结壳热阻抗曲线对比如图8所示。由图7、图8 可知,厂商提供的热阻抗曲线在不同的温度、功耗等工况条件下具有较好的稳定性与普适性。
3. 2 散热器瞬态热阻抗的提取
国内的散热器厂商往往不提供散热器的瞬态热阻抗曲线,而提供热阻抗曲线的散热器价格昂贵,所以用户有必要自己提取热阻抗曲线。本文有限元法分析的散热器如图9 所示,采用自然冷却方式,其热物理参数的设置参见表2[4]。
有些文献将热流( 功率损耗) 直接作用在与IG-BT模块基板接触的散热器表面来获取热阻。一方面是功耗从芯片传导到散热器表面的面积并不是模块基板面积; 另一方面,由热特性RC等效网络可知,若将热流直接作用于散热器表面,则忽略了模块内部各层热阻、热容的影响,因此用该方法提取瞬态热阻抗曲线将会引入较大的误差。
将IGBT模块安放在散热器上( 功率器件与散热器之间有导热硅脂,导热硅脂的热物理参数见表3[15]) ,对此实体模型进行有限元分析,考虑到对称性,取其1 /4 结构进行分析,如图10 所示。
得到的散热器热阻抗曲线与热流直接作用在基板时的热阻抗曲线对比如图11 所示。由图11 可见,IGBT模块与散热器整体仿真得到的热阻抗较热流直接作用在基板时的热阻抗高很多,这也说明了功耗传导到散热器的面积小于基板面积。IGBT与二极管芯片下方,壳经导热硅脂、散热器到环境的热阻抗曲线如图12 所示。
3. 3 热-电耦合模型的建立
通过Cftool拟合得到结壳热阻抗Zthjc以及壳经导热硅脂、散热器到环境的热阻抗Zthca的相关参数,建立SKM200GB12T4 模块与散热器整体的热特性等效网络。
若将图13( a) 所示的瞬时功耗作用在IGBT芯片上,则通过热-电耦合模型得到IGBT芯片稳态后的动态结温如图13( b) 所示。环境温度为20℃,由平均功率与稳态热阻可得到平均结温为74. 8℃,与图13( b) 的平均结温比较一致。动态结温随功率以平均结温为基准上下波动,若只关注稳态结温,器件在高温工况下,单个功率脉冲就很有可能使结温超过临界温度从而造成器件的损坏。
4 结论
本文通过有限元法提取IGBT模块与散热器的热阻抗,得到的IGBT模块热阻抗曲线与厂商提供的数据曲线吻合,并且验证了热阻抗曲线的普适性,最后采用Foster网络结构构建热-电耦合模型预测动态结温。通常动态结温会大于平均结温,当器件运行在高温工况下,极有可能超过临界温度而损坏。因此通过热-电耦合模型预测器件动态结温对提高电力电子装置的可靠性有一定的参考作用。
摘要：随着IGBT模块功率等级及密度的提高,因功率损耗而导致芯片温升加剧进而导致变流系统崩溃的问题愈发突出。对功率器件及散热系统的深入研究有助于功率器件封装设计、器件选型、系统布局以及逆变器的可靠运行。本文通过有限元分析方法对IGBT模块和散热系统的瞬态热阻抗进行了提取,所得结果与厂商数据手册吻合,而且通过所用方法验证了热阻抗曲线的普适性,最后利用热特性RC等效网络建立热-电耦合模型,可对芯片动态结温进行预测。
结温特性 篇4
本实验在现有LED结构基础之上结合实验室制备的环氧粘接材料,利用有限元软件COMSOL着重讨论大功率LED中粘接层对结温的影响,以期得到芯片封装材料复合体的理想温度分布,从而可从LED灯的表面温度估算出结温的值。
1 材料制备
作为LED封装粘接材料必须具备以下优点:良好的成形性、耐热性、机械强度及电器绝缘性,较小的热膨胀系数。目前,常用的封装粘接材料为环氧树脂,它具有粘接力强、电绝缘等特点,但它是热的不良导体,因此需加入填充剂、偶合剂、硬化剂等成为复合材料来使用[5]。本实验选用高纯度碳化硼为填充剂,以双酚A环氧树脂作为基体来制备粘接层材料。
将微米级粉末于200 ℃处理2h,然后用硅烷偶联剂进行表面处理,烘干备用。将固化剂和环氧树脂以一定比例混合并加入处理好的粉末,均匀搅拌,真空脱泡,然后固化成型。为了满足粘接层流动性好的要求,本研究所用B4C最高比例为60%(质量分数)。
2 有限元模型
整个LED灯结构是由没有散热器的单珠LED灯组成。如图1所示,封装包括芯片、透镜、硅树脂、芯片基座、陶瓷封装、导线、绝缘层、散热基座和电路板。同时其还存在着3层粘接层:(1)芯片与基板之间的硬质树脂;(2)基板与散热片(金属散热块)之间的粘接树脂;(3)散热基座和电路板之间的软树脂[6]。主要材料的热性能参数如表1所示。采用有限元分析软件COMSOL研究粘接层材料热性能对结温的影响。
为了尽量降低结温,本研究在热分析中做出了一些假设:(1)材料均匀且各向同性,粘接性良好;(2)LED芯片为均匀热源,热功率分别为1 W、2 W、3 W;(3)环境温度和LED灯初始温度为25 ℃;(4)同时考虑与外界的自然对流和热辐射效应。
3 结果及分析
3.1 温度分布
图2为粘接层厚度为0.1mm的LED灯在输入功率为1 W时的温度分布图。虽然这对LED器件内部温度实际情况的反映不一定准确,但是能够看出相对温度分布,可对整个散热提供一些指导。由图2可以看出,芯片产生的热量大部分通过散热基板及粘接层传递到外面,透镜由于其热导率相对较小,只有少部分热量传递[4]。最高的结温(Tj)为75.2℃,透镜上最低温度为56.5 ℃。然而芯片温度也不是均匀分布的,如图3所示,芯片上表面的温度明显比下表面温度高,再一次证明了热量大部分向下传递,且热量集聚导致芯片中间温度高于边缘。
图3芯片上(a)、下(b)表面的温度分布Fig.3 Temperature distribution in upper(a)and lower(b)surface of die
3.2 粘接层对结温的影响
粘接层主要是将热沉固定在电路板上,并保证界面的良好接触。因此在实际应用中就必须保证两点:(1)使LED模块能与热沉牢固地粘接在一起;(2)粘接剂必须有良好的导热性能[7]。采用B4C/环氧复合材料主要是因为它不但能提高热导率,还能减小树脂的热膨胀系数,避免因内应力及热应力而造成封装材料的龟裂。
3.2.1 厚度对结温的影响
图4为粘接层厚度对结温的影响。
图4粘结层厚度对结温的影响Fig.4 Effect of thickness of adhesive materials on Tj
对于功率为1 W的灯,当粘接层厚度为0.1mm和0.5mm时,结温分别为75.1℃和83.0 ℃,相差7.9 ℃,也就是说减小粘接层的厚度可以极大地提高LED灯的结温,从而延长其使用寿命。然而粘接层必须具有较强的粘接性,如果过薄虽有利于热量的传输,但会影响到最终的粘接效果,导致粘接不牢。因此,要结合两种因素综合考虑,通过对比得出最佳的粘接层厚度。图5为基板(铝板)的粘接强度与粘接层厚度的关系。当粘接层厚度为0.1mm时,结温最低,但粘接强度相对较弱,随着粘接层厚度的增加,结温升高,而粘接强度在厚度大于0.2mm之后开始降低。结合图4、图5可知,在粘接层厚度为0.2mm时,综合性能最佳。此时粘接强度为3.78MPa,结温为77.2 ℃。
图5粘接强度与粘接层厚度的关系Fig.5 Effect of adhesive thickness on adhesive strength
3.2.2 热导率对结温的影响
由以上分析可知,制备一种高热导率的导热胶复合材料作为粘接材料至关重要。B4C的热导率为32~40 W/(m·K),环氧树脂的热导率约为0.2 W/(m·K),因此B4C粒子对环氧树脂热导率有显著的影响。图6为复合材料热导率随B4C粒子含量增加的变化,当B4C质量分数小于30%时热导率增加缓慢,这是由于B4C被低热导率的环氧包封起来,处于隔离状态,复合材料的热导率仍基本取决于环氧树脂,所以复合材料的热导率变化较小。当B4C质量分数超过30%时,热导率开始显著提高,这是因为BN颗粒之间相互接触,颗粒之间彼此堆积,形成了导热通路,使得热流沿热阻很小的填料通过,而不是穿过高热阻的树脂层;在B4C含量为50%时热导率达到1.4 W/(m·K),是纯环氧树脂的7倍;B4C含量到达60% 时热导率有所下降,是由于B4C的量过多,B4C与环氧树脂不能均匀混合发生了团聚,没有大规模形成导热通道。
图6 B4C/环氧复合材料热导率随B4C含量的变化Fig.6 Thermal conductivity of epoxy resin dispersed with different amount of micro-B4C
B4C/环氧复合材料的SEM形貌如图7所示,其中黑色部分为环氧树脂,白色部分为B4C,可以看出B4C粒子能够很好地分散在环氧树脂中,每个颗粒都能很好地与周围其他颗粒接触,且随着含量的增加这种接触越好,也就是说“导热桥”搭得越多,整个复合材料的导热性大大提高[8，9]。另外,粒子与环氧树脂之间没有明显的分离,此时的粘接性仍然很强,这有利于提高环氧树脂的热导率并应用于LED封装粘接层中。
将制备的复合材料热导率运用到模拟的结温中,如图8所示,可看出在1 W的LED封装中结温随着粘接材料热导率的增大开始迅速降低然后趋于平缓,2 W、3 W也有相同的趋势,且下降得更加明显,结温最低出现在热导率最大时。结合图6热导率随B4C含量的变化,可得出使结温最低的复合材料最佳配比为B4C的质量分数为50%。
图8粘结层材料热导率对结温的影响Fig.8 Effect of the thermal conductivity of adhesive materials on Tj
4 结论
(1)随着粘接层厚度增加结温升高,但是太薄粘接不牢固。通过对粘接强度、结温与粘接层厚度的综合分析,当粘接层厚度为0.2 mm的综合性能最佳,所得的粘接强度为3.78MPa,结温为77.2 ℃。
(2)B4C粒子的加入使环氧复合材料热导率大幅提高,当质量分数为50%时,热导率达到1.4 W/(m·K),是纯环氧树脂的7倍,且结温会随着热导率的增加而降低,综合得出环氧复合材料的最佳配比为B4C的质量分数为50%。
摘要：采用自制的环氧树脂复合材料作为LED中的粘接材料,利用有限元软件COMSOL模拟讨论LED中粘接层厚度和导热系数对结温的影响,并给出了在粘接层材料的影响下LED灯中的温度分布。B4C的加入使得环氧复合材料(粘接层)热导率大幅度提高,模拟结果表明结温会随粘接层厚度的增加而升高,随着粘接层热导率的增加呈现先快速降低而后缓慢降低的趋势,并给出最佳的厚度和复合材料配比。