1.3　研究内容

针对IGBT模块应用层次的热设计已经开展了大量的研究，而IGBT模块封装的热设计研究还主要集中在英飞凌、ABB、三菱、富士、Dynex等半导体公司。国内对于电力电子器件热学设计研究较少。因此，针对电力电子器件的热学特性研究对于国内电力电子行业发展有着重要意义。

本文介绍了电力电子器件的背景，以传统电力电子器件IGBT结构为参考，详细介绍了IGBT的结构组成，根据基本热量传热方式介绍了常用的散热方式，借助ANSYS有限元软件全面分析IGBT模块的内部结构对芯片散热的影响，并通过实际实验和理论计算分别进行了验证。具体内容如下:

（1）研究背景。本章阐述了集成电力电子器件的发展背景，介绍了电子封装技术的发展渊源，并重点比较了电力电子器件的封装和传统IC封装的区别。接着介绍了国内关于IGBT器件封装的研究现状，并重点阐述IGBT在风力发电、太阳能发电、高铁及轨道交通、电动汽车、智能电网、变频家电六大方面的广阔应用前景。

（2）IGBT封装模块介绍与散热分析。对照IGBT模块结构示意图详细分析了其结构组成，其中，DCB衬板的陶瓷基板作为电力电子器件的重要部分，本章进行了重点阐述。另外，本章还介绍了热力学基本传热原理，包括热传导、热对流、热辐射三种基本传热方式；引入了傅立叶定律和牛顿冷却公式；阐述了电力电子器件常见失效原因，并从热力学基本原理的角度分析了常用功率器件的散热方式。

（3）IGBT热学特性仿真模拟与验证。本章首先介绍了有限元分析方法和有限元仿真软件ANSYS的应用。通过拆解某商用IGBT模块，分析内部结构参数，通过ANSYS平台建立仿真模型，施加相关载荷得到仿真结果。利用IGBT模块在小电流情况下的通态压降随温度变化的线性关系，通过测量通态压降得到芯片结温，进行实际验证。利用热电耦合关系，将热量传递类比为“热路”，通过测量模块底铜板的平均温度计算芯片结温，进行理论验证。

（4）IGBT模块散热研究。基于ANSYS平台，建立了IGBT仿真模型，通过改变相关参数，包括芯片间距、DCB材质及厚度、底铜板厚度，详细分析了影响IGBT芯片散热的主要因素。仿真分析时，发现存在使芯片结温最低的最佳厚度，然后利用简化模型重点分析DCB衬板层对最佳厚度的影响。

（5）总结与展望。本章对本文进行总结，并根据当今IGBT模块封装的发展阐述了本人对未来科研道路的思路。