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增强基板设计和优化热界面材料可增强功率模块稳定性

发布时间:2019-09-30 04:05:54 阅读: 来源:加香机厂家

增强基板设计和优化热界面材料可增强功率模块稳定性

优化功率模块的基板是达到期望的热性能的一个必要步骤。但是,基板、热界面材料和应用要求必须作为一个在规定的热条件下正常运行的完整系统加以考虑。优化必须将涉及的每一方面都考虑在内方可达到可能的最佳结果。

功率半导体需要与散热器进行导热连接。除了贴装过程之外,所使用的热界面材料以及基板设计会共同对热传导产生影响。除了初始状态外,还应观察动态负载下热传导的变化。由于热膨胀而导致的微位移可能造成热界面因泵出效应而产生劣化。

电力电子组件的新发展集中体现在三个主要方面。电气改善旨在降低开关损耗和静态损耗及EMI特性。设计中的机械变化处理机械强度的改善。机械设计也是改善模块的热性能的关键。

这三个主题中有一个值得注意的差别。功率模块总体结构的电气调整和内部改善都由半导体制造商完成。然而,热方面主要取决于在用户现场的安装。添加的导热材料及其本身的应用过程对模块的性能有重大影响。必须注意全面考虑贴装方面、模块与相应的散热器之间的互连以及在最终逆变器预测寿命内随后产生的热机械效应。利用配有一块较大基板的一个模块的示例,可显示不同的方法如何帮助模块基板的优化,以实现出色的热性能来支持高度可靠、持久耐用的逆变器系统的开发。

热机械学

作为较大块的组合体,功率模块在运行时会受到高温波动的影响。功率半导体的内部结构包括一个由不同材料制成的复合体,这些材料具有不同的热膨胀系数(CTE)。结合基板的宏观几何拓扑,运行时会引起热机械位移,造成模块与散热器之间的可用体积减小,如图1所示。

图1:由于温差造成的基板形状的变化,箭头表示安装应力

这种体积减小是高温运行时施加到热树脂上的压力之所以产生的核心原因。由于这种构造在冷却时会卸压,所以其效应随着每一个热循环反复产生。

由图可推断出基板在冷态下的初始状态会对由热引起的位移产生影响。然而,通过评估基板在冷态下的形状来判断模块的热性能将导致让人误解的解释。

基板与散热器在高温水平下仍然存在的间隙必须尽可能地小,以改善热耦合。优化必须考虑生产时的初始形状、预成形和受热过程。设计目标是增加最终设计中受热有效的基板区域。除了参考资料中所述的方法之外,对基板的某些区域进行金属的良好定向,压密是一种可行的选择。在EconoPACK +D系列的开发阶段,对不同的方法进行了评估。在后来覆有DCB材料的区域打上印记,如图2所述。

图2:基板和标定的DCB的位置

为了评估热性能的影响和泵出效应的大小,建立了一个试验台,以便在有效的热应力试验中获得可再现且可比较的结果。

试验台和实验结果

试验系统包括一个功率模块,安装在一个采用强制风冷的适当的散热器上。贴装根据相应应用说明中的建议进行。模块内的所有IGBT芯片被激活并彼此串联,以分别实现均匀的电流分担和均匀的升温过程。以这种方法,功率模块内的温度分布与实际应用密切相关,从而获得可靠的实验结果。由于观察的泵出效应因万有引力的原因在垂直安装的系统中更加突出,所以试验选择了这种安装方向。对实验进行监控包括测量电源配置提供恒定电流时的DUT两端的电压。在热力方面,利用红外照相机来检测温度分布中甚至微小的变化,可观察这种设置。实验室中采用的设置如图3所示。

图3:评估由热引起的泵出效应的试验台

优化功率模块的基板是达到期望的热性能的一个必要步骤。但是,基板、热界面材料和应用要求必须作为一个在规定的热条件下正常运行的完整系统加以考虑。优化必须将涉及的每一方面都考虑在内方可达到可能的最佳结果。

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