【摘 要】
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IGBT是高电压、大电流、高频电力电子装置中应用最为广泛的电力半导体器件,通常采用回流焊工艺将其封装成功率模块的形式。但回流焊工艺会使IGBT模块的封装基板产生翘曲变形,继而对模块的焊接质量和散热能力带来不利影响。但影响封装工艺中基板变形的因素较多,利用传统试验方法确定变形的成本较高,因此高效准确地预测回流焊引起的封装基板变形具有重要研究意义。而有限元分析技术的发展使模块研发人员可以利用仿真建模的
【基金项目】
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国家重点研发计划——先进轨道交通专项子任务级项目“IGBT芯片产业化和原材料自主供应链建设”（任务编号:2018YFB1201804-1）
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IGBT是高电压、大电流、高频电力电子装置中应用最为广泛的电力半导体器件,通常采用回流焊工艺将其封装成功率模块的形式。但回流焊工艺会使IGBT模块的封装基板产生翘曲变形,继而对模块的焊接质量和散热能力带来不利影响。但影响封装工艺中基板变形的因素较多,利用传统试验方法确定变形的成本较高,因此高效准确地预测回流焊引起的封装基板变形具有重要研究意义。而有限元分析技术的发展使模块研发人员可以利用仿真建模的方法来对模块基板在封装工艺中的变形情况进行研究。本文利用ANSYS有限元软件建立了 IGBT模块回流焊工艺仿真模型依此来对模块基板在封装工艺中的变形进行预测。为提高有物理模型的准确性,对封装基板用AlSiC材料的力学和热力学性能参数进行了试验测定,并确定了封装基板力学和热力学参数的普适性检测流程;同时基于Anand本构模型、“单元生死”技术和定义材料材料焓值等方法在有限元模型中对回流焊工艺中焊料的蠕变和相变特性进行了仿真,形成了完整的IGBT模块回流焊工艺仿真模型建立流程。为对所建基板变形预测模型进行验证,本文进行了 IGBT模块回流焊封装试验。封装试验中,利用炉温跟踪仪对回流焊工艺中IGBT模块表面的温度变化进行了记录、利用三坐标测量仪对回流焊后的基板背面面形进行了测定。经试验验证,该模型对于回流焊工艺引起的封装基板变形预测误差为10.35%,误差主要来源于模型建立过程中的简化及部分材料测试试验的不准确。同时,所建模型能够对回流焊后封装基板背面的“凹谷”形特征做出预测,但由于回流炉内温度分布的不均匀性,预测模型预测的形状特征与实际情况相比存在一定偏差。该基板变形预测模型的提出对于优化IGBT模块回流焊封装工艺、提高模块可靠性和使用性能具有重要指导意义,本文所建模型及建模过程中的相关试验方法具有普适性,适用于类似结构的IGBT功率模块在回流焊封装工艺中的变形预测。基于该模型的预测结果即可确定回流焊后基板背面的面形,从而为IGBT模块的设计提供参考,能够有效降低试验成本并大幅缩短了研发周期。
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