利用有限元分析優(yōu)化功率模塊熱設(shè)計(jì)

梁 芳，何明珠

(中國電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津300384)

利用有限元分析優(yōu)化功率模塊熱設(shè)計(jì)

梁 芳，何明珠

(中國電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津300384)

為解決大功率電源控制器中功率模塊的熱可靠性問題，根據(jù)功率模塊的散熱原理，分析影響功率模塊的散熱因素，利用有限元熱分析軟件I-DEAS-TMG對其進(jìn)行熱分析，得到整個功率模塊的溫度場分布情況，模擬功率模塊中各發(fā)熱元器件的溫升及其相互之間的熱耦合情況，根據(jù)熱分析結(jié)果提出熱設(shè)計(jì)方法。最后，根據(jù)得出結(jié)論對功率模塊各發(fā)熱器件進(jìn)行重新布局，并經(jīng)桌面試驗(yàn)證實(shí)重新布局后的功率模塊就其熱可靠性而言更為合理，能有效提高BDR模塊的效率。

DC/DC電源模塊；多芯片組件；熱可靠性；有限元法；熱分析

電子產(chǎn)品的主要失效形式為電子元器件的熱失效，據(jù)統(tǒng)計(jì)，電子產(chǎn)品的失效有55%是溫度超過額定值引起的。隨著溫度的升高，電子元器件的失效率呈指數(shù)增長[1]。在實(shí)際應(yīng)用過程中，發(fā)現(xiàn)功率模塊的熱退化現(xiàn)象嚴(yán)重，運(yùn)行一段時間后，其封裝表面溫度過高，轉(zhuǎn)換效率降低，輸出電流下降，由此可見功率模塊的生熱必然會成為影響電源控制器工作性能指標(biāo)的一個重要因素。所以功率模塊的熱設(shè)計(jì)是電源控制器設(shè)計(jì)中不可忽略的一個環(huán)節(jié)，直接決定了產(chǎn)品的性能指標(biāo)參數(shù)，良好的熱設(shè)計(jì)是保證電源控制器運(yùn)行穩(wěn)定可靠的基礎(chǔ)。有關(guān)資料表明電子元器件溫度每升高2℃，可靠性下降10%。為解決功率模塊的熱可靠性問題，對其進(jìn)行了熱分析，主要是進(jìn)行熱場分析以及熱應(yīng)力分析。熱應(yīng)力場是結(jié)構(gòu)力學(xué)場和溫度場的耦合；而熱場的分布可通過模擬仿真和實(shí)驗(yàn)獲得，對于三維封裝來說，通過實(shí)驗(yàn)方法一般只能獲得封裝實(shí)體外部的溫度場，而內(nèi)部溫度場只能通過計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)得到。

以功率模塊為研究對象，建立三維有限元熱分析模型，利用I-DEAS-TMG軟件，對功率模塊內(nèi)部進(jìn)行熱場及熱應(yīng)力分析，了解整個封裝實(shí)體的溫度場分布情況，分析導(dǎo)致內(nèi)部各器件過熱的主要原因，然后根據(jù)熱分析的結(jié)果提出有效的熱設(shè)計(jì)方法，并對功率模塊各部分進(jìn)行合理布局。

有限元法(FEM)是隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展而興起的一種數(shù)值計(jì)算方法。所謂有限元法，就是將元件模型劃分為若干個網(wǎng)格，設(shè)定邊界條件進(jìn)行求解。雖然需要對體或表面劃分大量的網(wǎng)格，但可以方便地解決電子模塊復(fù)雜的幾何形狀。有限網(wǎng)格的劃分使得有限元法成為目前最為精確的方法，溫度場的有限元計(jì)算實(shí)質(zhì)上是對溫度場微分方程相應(yīng)的泛函數(shù)求極值的過程。

電子產(chǎn)品散熱有三種方式，導(dǎo)熱、對流傳熱和輻射傳熱。航天器電子產(chǎn)品的散熱，可能出現(xiàn)其中的一種散熱方式，也可能結(jié)合出現(xiàn)。電源控制器一般位于衛(wèi)星真空密封艙內(nèi)，故可不考慮對流散熱，只能通過導(dǎo)熱和輻射散熱[2]。圖1和圖2為輻射和傳導(dǎo)的具體示意圖。

圖1 輻射散熱示意圖

圖2 接觸傳熱示意圖

功率模塊的散熱路徑分析：元器件的熱功耗主要通過其引出線和接觸面?zhèn)鞯交澹俳?jīng)與機(jī)箱殼體的接觸導(dǎo)熱，將熱量傳至機(jī)箱殼體；另一條散熱路徑是通過元器件外殼表面向機(jī)箱殼體輻射。由經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，通過接觸面向機(jī)殼的導(dǎo)熱是更為有效的散熱路徑。接觸面積越大，接觸熱阻越小，通過接觸散熱路徑傳出的熱量越大。為了減小接觸熱阻，可在功率模塊安裝面間可填充導(dǎo)熱填料，如導(dǎo)熱硅脂、硅橡膠等。接觸傳熱路徑示意圖如圖3所示。

圖3 元器件的接觸傳熱路徑

首先由定性分析可知，功率模塊內(nèi)部發(fā)熱元器件產(chǎn)生的熱量在由元器件向外傳遞的過程中，主要傳遞路徑是沿元器件背面方向，穿過封裝殼、基板，以導(dǎo)熱的形式傳遞到機(jī)殼底表面；電阻、互連線并沒有位于該傳熱通路上，因此對計(jì)算結(jié)果的影響很小。主要功率元器件的P-N結(jié)到印制板和機(jī)箱殼體各散熱路徑的熱阻示意圖如圖4所示。

由圖4所示的熱阻示意圖得出此種安裝方式的熱阻分析如圖5所示。

圖4 元器件的P-N結(jié)到基板和機(jī)箱殼體各散熱路徑的熱阻示意圖

圖5 安裝方式的熱阻

由圖3、圖4、圖5可得出元器件的安裝設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下原則：

(1)增大元器件與印制板(或機(jī)箱)的安裝接觸面積，降低接觸表面的粗糙度，增大接觸壓力，在接觸于面間填充導(dǎo)熱填料，是減小安裝面接觸熱阻的有效安徑；

(2)帶引出線的元器件應(yīng)盡量利用引出線的導(dǎo)熱散熱，減小元器件引出線的安裝長度，可以減小元器件和印制板之間的導(dǎo)熱熱阻。應(yīng)使元器件到機(jī)箱殼體的導(dǎo)熱距離最短，盡可能降低元器件到機(jī)箱殼體的導(dǎo)熱散熱路徑的熱阻，同時也應(yīng)采取消除產(chǎn)生熱應(yīng)力的措施。

另外，模塊中熱量傳遞的主要通路是沿元器件背面向下，因此粘結(jié)劑、基板材料的熱導(dǎo)率對內(nèi)部熱阻的影響較為明顯。選用高熱導(dǎo)率材料的粘結(jié)劑和基板材料，可以降低內(nèi)部的熱阻。同時，粘結(jié)劑內(nèi)部的氣泡會使內(nèi)部熱阻大大增加，給電源模塊帶來劣質(zhì)的熱性能，在工藝生產(chǎn)中應(yīng)嚴(yán)格控制。

消除其他因素對發(fā)熱元器件散熱的影響后，通過有限元具體模擬分析濟(jì)南半導(dǎo)體研究所研制的XX型功率模塊，進(jìn)行熱場及熱應(yīng)力分析，了解整個封裝實(shí)體的溫度場分布情況，根據(jù)熱分析的結(jié)果提出有效的熱設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行功率模塊內(nèi)部發(fā)熱元器件的布局優(yōu)化，從而提高BDR模塊的效率及電性能。XX型功率模塊的熱耗如表1所示。

表1 功率模塊熱耗表 W

表中工況2比工況1熱耗大，工作環(huán)境惡劣，故分析模擬時采用工況2為邊界條件。使用三維軟件I-DEAS建立的三維模型如圖6所示，有限元模型分析結(jié)果如圖7所示[3]。

圖6 功率模塊三維模型

圖7 功率模塊有限元模型分析結(jié)果

結(jié)果顯示溫升最高點(diǎn)為MOSFET D1功率管，說明其對整個電源模塊的可靠性具有決定意義，但其周圍溫度梯度比較大。故可以考慮改變模塊的布局方式，將功率損耗較大的MOSFET功率管D1～D4、功率管M1～M4和電阻R1～R8分開布局，以均衡溫度分布。優(yōu)化布局后的功率模塊三維模型如圖8所示。有限元模型分析結(jié)果如圖9所示。

若按照原始設(shè)計(jì)，XX型功率模塊在工況1下，由圖7顯示內(nèi)部器件最高溫度為92.2℃，元器件結(jié)溫為93.25℃(節(jié)殼熱阻為0.42℃/W)遠(yuǎn)超過其降額溫度[4](90℃)，可靠性低，影響B(tài)DR模塊的性能。

圖8 優(yōu)化后功率模塊三維模型

圖9 優(yōu)化后功率模塊有限元模型分析結(jié)果

優(yōu)化后的XX型功率模塊在工況1下，由圖9顯示內(nèi)部器件最高溫度為79.4℃，元器件結(jié)溫為81.45℃(結(jié)殼熱阻為0.42℃/W)未超過其降額溫度(90℃)，滿足使用要求。比較圖7和圖9，得出優(yōu)化前后功率模塊內(nèi)部器件最高溫度相差11.8℃(結(jié)溫)。

經(jīng)桌面試驗(yàn)證實(shí)重新布局后的功率模塊就其熱可靠性而言更為合理，能有效提高BDR模塊的效率，估算整機(jī)BDR效率為94.2%～94.4%。產(chǎn)品使用原設(shè)計(jì)功率模塊后估算整機(jī)效率為93.5%～93.7%，且熱可靠性低。故利用有限元熱分析優(yōu)化解決功率模塊的溫升及轉(zhuǎn)化效率問題，對于大功率電源控制器的性能參數(shù)和可靠性具有重大意義。

[1]于慈遠(yuǎn)，于湘珍，楊為民.電子設(shè)備熱分析熱設(shè)計(jì)熱測試技術(shù)初步研究[J].微電子學(xué)，2000,30(5):334-335.

[2]閔桂榮.航天器熱控制[M].2版.北京：科學(xué)出版社，1998.

[3]葉宏，焦東升，徐斌，等.I-DEAS熱分析實(shí)用教程[M].北京：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2003.

[4]徐雷，廖炯生，余震醒，等.GJB/Z35-93，元器件降額準(zhǔn)則[S].北京:國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會，1994.

Optimize of thermal design of power module through FEM method

Thermal conditions of DC/DC power module were analyzed by using finite element thermal analysis software I-DEAS-TMG to address thermal reliability issues of the module.Temperature distribution over the entire module was obtained,and the heat rise of self-heating devices in the module and thermal coupling among them were analyzed.Thermal design methods based on the analysis were proposed.Finally,devices in the module were rearranged,which proved to be more reasonable as far as thermal reliability was concerned.

DC/DC power module;MCM;Thermal reliability;FEM;Thermal analysis

TM 762

A

1002-087 X(2015)10-2225-03

2015-03-09

梁芳(1988—)，女，陜西省人，助理工程師，主要研究方向?yàn)榭臻g電源設(shè)備的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及散熱問題。