集成电力电子模块封装技术的研究

论文摘要

电力电子系统集成是一项电力电子技术与材料、机械、化学、信息等多学科边缘交叉渗透的综合性工程,可实现电力电子系统的高功率密度、高效率、高可靠性以及低成本,是电力电子技术发展的重要方向。模块的封装技术是电力电子系统集成的重要组成部分,直接影响模块的电气性能、EMI特性和热性能等,被公认为是未来电力电子技术发展的核心推动力。在电力电子集成系统中,各分立元器件被集成电力电子模块（Integrated Power Electronics Module,IPEM）取代,研究IPEM的封装技术具有重要意义和实用价值。本文介绍了薄厚膜技术、封装结构与互连技术和基板技术等电力电子封装的关键技术,详细比较分析了已存在的薄膜覆盖封装技术等三维IPEM封装技术。标准开关单元可以最大限度地应用于多种变换器中,将它们与其驱动等电路集成在一起,就构成了有源IPEM。倒装芯片技术（Flip Chip Technology,FCT）广泛应用于微电子封装,将该技术引入到三维有源IPEM的封装中,可以构成倒装芯片集成电力电子模块（FC-IPEM）。在实验室封装完成了由两只球栅阵列封装MOSFET及其驱动、保护等电路构成的半桥FC-IPEM。FC-IPEM中,由焊料凸点实现芯片和基板的互连,取代了传统的引线键合,三维封装结构取代了传统的平面封装结构。在封装过程中,提出印刷电路板焊盘预先涂覆焊料法,提高焊点寿命,同时控制工艺过程的参数,实现FC-IPEM可靠性的提高。采用阻抗分析仪测量半桥FC-IPEM的寄生参数,建立寄生参数模型,测量中,使用改进型寄生电容测量方法,提高了测量的准确性。通过分析电磁干扰的传输路径,提出改善FC-IPEM电磁兼容性能的措施。采用半桥FC-IPEM构成同步整流Buck变换器,进行了电气性能测试。测试结果证明了模块寄生电感小,电气性能优越。建立了半桥FC-IPEM的一维热阻模型,得到芯片热传输的主要热阻来源,并运用FLOTHERM软件进行三维热仿真分析,得到模块的稳态传热结果,并给出优化模块热性能的依据,结果证明三维封装的半桥FC-IPEM实现了良好的热设计。采用模块电源构成飞机高压直流电气系统的二次电源分布式系统,可提高供电可靠性和供电质量。模块电源采用移相控制零电压开关（Zero VoltageSwitching , ZVS）脉宽调制全桥变换器拓扑。由于难以获取双面可焊大功率器件芯片以及集成控制电路芯片,现实可行的选择是本模块电源的器件均采用已商品化的表面组装器件,通过合理的电路和结构设计,经二次封装形成电源模块。在实验室,采用三维叠层封装结构,选用了高导热率的铝基板作为底层基板,完成了28V/36A输出航空用模块电源样机,平面变压器技术为模块电源的薄型化提供了条件。为了利用变压器漏感的能量实现滞后桥臂开关管的ZVS,绕组采用非交错结构,并对磁件设计进行了优化。建立了模块电源的寄生参数模型,提出改善模块电源EMC性能的措施。对模块电源进行电气性能测试,给出电气性能测试结果。最后,运用FLOTHERM软件对模块电源进行三维热仿真分析,得到稳态传热结果。本模块电源的封装技术研究成果可推广应用于中大功率通信、计算机用模块电源中。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 电力电子技术的发展与现状
• 1.1.2 电力电子系统集成的提出
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 开关单元和元件单元
• 1.2.2 电力电子标准模块级
• 1.2.3 系统级
• 1.3 本论文研究意义与研究内容
• 第二章 集成电力电子模块封装的关键技术
• 2.1 引言
• 2.2 基础封装理论
• 2.3 膜技术
• 2.3.1 薄膜技术
• 2.3.2 厚膜技术
• 2.4 基板技术
• 2.4.1 DBC 陶瓷基板
• 2.4.2 绝缘金属基板
• 2.4.3 玻璃布基板
• 2.4.4 柔性基板
• 2.5 封装结构与互连技术
• 2.5.1 平面封装结构和引线键合技术
• 2.5.2 三维封装结构和新型互连技术
• 2.6 封装材料与技术
• 2.6.1 焊接材料
• 2.6.2 下填充材料
• 2.6.3 热传导密封材料
• 2.7 本章小结
• 第三章 倒装芯片集成电力电子模块
• 3.1 引言
• 3.2 FC-IPEM 的设计
• 3.2.1 电路结构和器件选择
• 3.2.2 FC-IPEM 的结构
• 3.2.3 FC-IPEM 的材料选择
• 3.3 FC-IPEM 的封装
• 3.3.1 基板准备
• 3.3.2 封装程序
• 3.4 FC-IPEM 的可靠性控制
• 3.4.1 焊点形状优化设计
• 3.4.2 封装工艺过程的控制
• 3.5 FC-IPEM 的寄生参数模型
• 3.5.1 FC-IPEM 的寄生参数提取
• 3.5.2 FC-IPEM 的等效电路模型
• 3.5.3 改善FC-IPEM EMC 性能的措施
• 3.6 FC-IPEM 的电气性能测试
• 3.7 本章小结
• 第四章 集成电力电子模块的热设计
• 4.1 引言
• 4.2 热设计基础
• 4.2.1 热传输原理
• 4.2.2 冷却技术
• 4.2.3 电子元器件的工作温度
• 4.2.4 热管理
• 4.3 FC-IPEM 的热设计
• 4.3.1 损耗分析
• 4.3.2 一维热阻模型
• 4.3.3 三维热分析
• 4.3.4 参数分析
• 4.4 小结
• 第五章 航空用大功率模块电源
• 5.1 引言
• 5.2 电路拓扑及控制选择
• 5.3 器件选择
• 5.4 封装结构
• 5.5 关键技术的应用研究
• 5.5.1 平面变压器技术
• 5.5.2 尖峰抑制器技术
• 5.5.3 模块并联技术
• 5.6 封装程序
• 5.7 寄生参数模型
• 5.7.1 寄生电感
• 5.7.2 寄生电容
• 5.7.3 线路布局优化设计
• 5.8 实验结果
• 5.9 小结
• 第六章 航空用大功率模块电源的热设计
• 6.1 引言
• 6.2 损耗分析
• 6.2.1 开关管损耗
• 6.2.2 整流二极管损耗
• 6.2.3 变压器损耗
• 6.2.4 滤波电感损耗
• 6.2.5 损耗分布
• 6.3 热分析
• 6.3.1 三维热分析模型
• 6.3.2 热分析结果
• 6.4 小结
• 第七章 工作总结及展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文