DBC缺陷与焊接工艺缺陷对IGBT温度场影响的研究.docx

DBC缺陷与焊接工艺缺陷对IGBT温度场影响的研究
摘要
本文研究了DBC缺陷和焊接工艺缺陷对IGBT温度场的影响。使用ANSYS软件对不同尺寸和形状的DBC缺陷进行了模拟，并对焊接工艺缺陷进行了分析。通过仿真结果发现，DBC缺陷和焊接工艺缺陷对IGBT温度场有着显著的影响。因此，应该在设计和制造过程中尽可能减少这些缺陷的存在。
关键词：DBC缺陷；焊接工艺缺陷；IGBT；温度场
引言
功率电子器件是现代电力电子系统的关键组成部分，其重要性在于其高效率、高功率密度和长期可靠性。其中，IGBT（晶闸管-双极型晶体管）是一种通用的功率电子器件，广泛应用于电力电子领域。IGBT的温度分布对其性能和寿命具有重要影响。因此，研究IGBT温度场的影响因素和改进方式变得越来越重要。
在IGBT制造过程中，常见的缺陷包括DBC缺陷和焊接工艺缺陷。DBC指的是双面陶瓷基板（Double-SidedCeramicSubstrate），是一种现代电力电子器件制造技术，其优点在于导热性能好、电气绝缘性能好、机械强度高等。然而，由于工艺和材料等因素的影响，DBC上存在一些缺陷，例如裂纹、气孔、介质层和基板悬挂等。同时，在焊接过程中也存在着焊接工艺缺陷，例如焊接位置不准、球形焊剂过多等。
本文将使用ANSYS软件对不同尺寸和形状的DBC缺陷进行模拟，并对焊接工艺缺陷进行分析，以了解它们对IGBT温度场的影响。并提出减少这些缺陷的方法和建议，以提高IGBT的性能和寿命。
模拟方法
模型准备
在ANSYS中建立IGBT三维模型，包括IGBT芯片、金属散热器、垫片和DBC基板。模型的尺寸为27mmx11mmx3mm。
模型网格划分
在模型中进行网格划分，以确保仿真结果的准确性和稳定性。使用三角形网格进行划分，对薄板材料和小孔进行局部加密。整个模型网格总数为约1.5万个单元。
模拟参数设置
将IGBT芯片的功率设置为100W，温度设置为25℃。在模拟过程中，采用静态热分析方法，参考系设置为地面。
模拟过程
上述模型的DBC缺陷和焊接工艺缺陷仿真过程如下：
DBC缺陷仿真过程
设计不同尺寸和形状的DBC缺陷，包括长10mm、宽2.5mm的矩形裂纹，长度为10mm、厚度为0.5mm的介质层。同时设计一个无缺陷的基板作为对比。
在设计好DBC缺陷后，进行网格划分，并将基板与芯片界面加固以保证仿真模型的稳定性。设置芯片功率为100W，进行静态热分析。分别记录不同缺陷下的温度场分布情况，并与无缺陷基板进行比较。
焊接工艺缺陷仿真过程
设计不同位置、数量和形状的焊接工艺缺陷。包括焊点偏位、垂直度偏差、焊点悬空、焊剂过多等。
使用IGBT三维模型，按照实际焊接工艺流程，将焊点和铜片一一对应焊接。将IGBT芯片的功率设置为100W，温度设置为25℃，执行静态热分析。捕捉焊接过程中的温度变化，以确定焊接工艺缺陷对IGBT温度场的影响。
仿真结果分析
DBC缺陷仿真结果分析
研究结果显示，不同尺寸和形状的DBC缺陷都会影响IGBT芯片的温度场。其中，介质层对温度的影响最大，故障位置温度高于无缺陷的基板932K，温度分布也不均匀；而裂纹对温度的影响相对较小，故障位置温度高于无缺陷的基板约6K，温度场分布也较均匀。
因此，在制造和设计过程中，应避免或减少DBC缺陷的存在，如优化工艺参数、改进接受标准和缺陷检查设备等。
焊接工艺缺陷仿真结果分析
研究结果显示，焊接工艺缺陷对IGBT芯片的温度产生显著影响。其中，焊接位置偏斜引起的热点温度高于正常情况下的温度，即焊点热点温度增加7K以上；焊点悬空和球形焊剂过多导致散热不良，热点温度高于正常情况下约10K。
建议在制造和焊接过程中，采用优化的焊接工艺，对焊点位置和数量进行精确控制，以减少焊接缺陷存在。
结论
本文研究了DBC缺陷和焊接工艺缺陷对IGBT温度场产生的影响，并使用ANSYS软件进行了仿真模拟。结果表明，不同尺寸和形状的DBC缺陷和焊接工艺缺陷都会影响IGBT芯片的温度场，使其温度分布不均匀且容易产生热点。因此，在制造和设计过程中，应尽量减少或避免这些缺陷的存在，以提高IGBT的性能和寿命。此外，通过优化工艺参数和改进接受标准等措施可以减少这些缺陷的出现。