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第50卷第4期2020年4月激光与红外LASER&INFRAREDVol.50,No.4April,2020文章编号：1001-5078(2020)04-0429-06-红外技术及应用•红外焦平面探测器热应力的有限元仿真方法分析李雪梨，张磊,付志凯(华北光电技术研究所，北京100015)摘要：以64x64红外焦平面探测器为例，构建了包含探测器芯片、铟柱、填充胶和读出电路的全尺寸有限元仿真模型，与探测器芯片、填充层和读出电路的简化模型进行对比。
研究表明，两种模型在芯片热应力的变化趋势上保持一致。
由于铟材料与碲镉汞材料之间的热膨胀系数相差较大，随着芯片尺寸的增大，铟柱的影响逐渐增加，填充层简化模型计算得到的芯片热应力与全尺寸模型的热应力的差距会越来越大。
关键词：焦平面探测器;热应力；有限元分析中图分类号:TN215文献标识码:A DOI：10.3969/j.issn.1001-5078.2020.04.008Analysisonfinie%%lm%nem%ehodofeh%rmalser%sfor infrared focal plane detectorLI Xue-li,ZHANG Lei,FU Zhi-kai(North China Research Ins/tute of Electro-Optics, Beijing100015,China)Abstraci:A full-scale simulation model of64x64infrared focal plane detector was established in this paper,which includes chij,indium bumps,underfill and readout circuit,to compare with a simplified simulation model including chip,mixed underfill layer and r eadout circuit.Results show that the two models are consistent in the trend of chip thermal stress within a certain range.As the thermal expansion coefficients of indium and HgCdTe are quite ddferent, the effect of indium bumps increases with the increase of chij size,and the gap of chip thermal stress between the simplified model and full-scale model will alse be laraer and laraer.Keywords:focal plane detector；thermal stress；finite element analysis1引言红外焦平面探测器自20世纪90年代发展起来后，由于其灵敏度高、环境适应性好、抗干扰能力强等优点，被广泛地应用于国防安全、环境监测、工农业生产等各个方面。
摘要换热器是传热工程必不可少的设备，几乎一切工业领域都要使用。
化工,冶金，动力，交递，航空与航天部门应用尤为广泛。
在底部有热源作用的散热片，主要通过传导与对流进行热交换。
为保证散热片的散热性能达到设计的要求，从而避免电子产品因过热而造成损坏，就需要对其进行热分析，计算在实际工况下的温度分布，校核其散热性能。
因此，对换热器进行热应力耦合分析具有十分重要意义。
传统方法的热分析其温度变化必须是非常的缓慢，而且在升降温过程中的不易控制，难以正确校核其散热性能。
随着计算机技术的发展，使得有限元法有着突飞猛进的进展。
结合计算机辅助设计技术，有限元法也被用于计算机辅助制造中。
ANSYS的热分析基于能量守恒原理的热平衡方程，正确模拟散热片的工况，通过有限元法计算各节点的温度分布，并由此导出其他热物理参数，为散热片的设计选材提供合理的参数，使产品的研发更加快速、高效和经济。
关键词：换热器；有限元；ANSYS；散热片Heat exchanger coupled thermal stress analysisAbstractHeat transfer engineering is essential equipment to be used almost all industrial fields. Chemical, metallurgical, power, handoff, application of aviation and aerospace sector is particularly extensive. In the bottom of the heat sink effect, mainly through conduction and convection heat exchange. To ensure the heat sink thermal performance to meet the design requirements, so as to avoid overheating of electronic products due to damage to its thermal analysis requiredto calculate the temperature distribution in the actual conditions, check the heat dissipation. Therefore, thermal stress coupled heat exchanger analysis is of great significance. Traditional methods of thermal analysis the temperature change must be very slow, and in heating and cooling process difficult to control, difficult to properly check its thermal performance. With the development of computer technology, finite element method has made rapidprogress. Combined with computer-aided design,finite element method is also used in computer-aided manufacturing. ANSYS thermal analysis is based on the principle of conservation of heat energybalance equation, the correct simulation of the heat sink conditions, the finite elementmethod to calculate the temperature distribution of each node, and thus other thermalphysical parameters derived for the design of heat sink to provide a reasonableselection of parameters Make product development more rapid, efficient and economical.Key Words：Heat control；Finite element；ANSYS；Heatsink目录摘要 (I)Abstract (II)第一章绪论............................ .. (1)1.1 引言 (1)1.2 计算机仿真技术的发展 (1)1.3 热分析方法的选择 (2)第二章课题相关知识介绍 (4)2.1散热片知识 (4)2.1.1散热片的材质比较 (4)散热片结构的设计 (4)2.2有限元分析理论与ANSYS (6)有限元分析理论 (6)有限元常用术语 (7)架构及命令 (7)分析典型过程与功能 (8)2.2.5 国内外发展状况 (9)有限元热分析原理 (9)第三章ANSYS三维模拟计算过程 (13)3.1 散热片模型及几何尺寸 (13)3.2 ANSYS有限元分析进程 (14)环境简介 (14)的建模过程 (15)操作条件的确定 (15)边界条件的确定 (15)计算结果与分析 (16)第四章结论 (21)谢辞 (22)参考文献 (23)附录：散热片模型建模程序 (24)第一章绪论1.1 引言热分析主要用于计算一个系统或部件的温度分布及其他热物理参数，如热量的获取或损失、热梯度、热流密度（热通量）等。
基于有限元分析的电力设备热仿真模型研究1. 引言电力设备的热仿真模型研究对设备的可靠性和性能优化具有重要意义。
本文将基于有限元分析方法，探讨电力设备热仿真模型的研究，以及其在实际工程应用中的价值。
2. 有限元分析方法2.1 有限元分析原理有限元分析是一种以有限单元法为基础的数值计算方法，通过将复杂结构分解为多个简单的有限单元，以近似的方式来模拟实际的物理过程。
2.2 有限元分析在电力设备热仿真中的应用有限元分析在电力设备热仿真中被广泛应用，可以用于模拟电力设备内部的温度分布、热传导以及热辐射等过程，从而帮助工程师优化设备的散热设计和材料选择。
3. 电力设备热仿真模型的建立3.1 设备几何模型的建立在建立电力设备的热仿真模型时，首先需要将设备的几何形状进行建模。
可以使用CAD软件进行三维建模，或者根据设备的尺寸和形状进行简化建模。
3.2 材料参数的设定热仿真模型的准确性与材料参数的设定密切相关。
材料参数包括热导率、比热容、密度等，可以通过实验测试或者文献调研来获取。
3.3 边界条件的设定边界条件是指在热仿真模型中设定的温度边界和热流边界。
通过合理设定边界条件，可以模拟实际工况下的热传递过程。
4. 电力设备热仿真模型的求解4.1 传热方程的建立电力设备的热仿真可以根据传热方程来描述。
常见的传热方程包括热传导方程、热对流方程和热辐射方程等。
4.2 有限元离散化将传热方程进行离散化得到一组代数方程，然后通过求解这组代数方程得到设备内部的温度分布。
4.3 仿真结果分析利用有限元分析软件进行仿真计算后，可以对仿真结果进行分析，如温度分布图、热流分布图等，以评估设备的散热性能。
5. 电力设备热仿真模型的应用电力设备的热仿真模型广泛应用于实际工程中，具体包括设备散热设计优化、设备性能预测、故障诊断等方面。
5.1 设备散热设计优化基于热仿真模型的计算结果，可以评估现有的散热设计方案，并通过优化设计来提高设备的散热能力，降低温度升高对设备性能的影响。
第一章 课题相关知识介绍2.1散热片知识散热片是一种给电器中的易发热电子元件散热的装置，多由铝合金，黄铜或青铜做成板状，片状，多片状等，如电脑中CPU 中央处理器要使用相当大的散热片，电视机中电源管，行管，功放器中的功放管都要使用散热片。
一般散热片在使用中要在电子元件与散热片接触面涂上一层导热硅脂，使元器件发出的热量更有效的传导到散热片上，在经散热片散发到周围空气中去。
2.1.1散热片的材质比较就散热片材质来说，每种材料其导热性能是不同的，按导热性能从高到低排列，分别是银，铜，铝，钢。
不过如果用银来作散热片会太昂贵，故最好的方案为采用铜质。
虽然铝便宜得多，但显然导热性就不如铜好（大约只有铜的50%左右）。
目前常用的散热片材质是铜和铝合金，二者各有其优缺点。
铜的导热性好，但价格较贵，加工难度较高，重量过大（很多纯铜散热器都超过了CPU 对重量的限制），热容量较小，而且容易氧化。
而纯铝太软，不能直接使用，都是使用的铝合金才能提供足够的硬度，铝合金的优点是价格低廉，重量轻，但导热性比铜就要差很多。
有些散热器就各取所长，在铝合金散热器底座上嵌入一片铜板。
对于普通用户而言，用铝材散热片已经足以达到散热需求了。
北方冬季取暖的暖气片也叫散热片。
散热片在散热器的构成中占有重要的角色，除风扇的主动散热以外，评定一个散热器的好坏，很大程度上取决于散热片本身的吸热能力和热传导能力 2.1.2散热片结构的设计 1. 肋片的散热量肋基导入的热量向肋端传递，经肋片传给流体，因此肋片得热平衡方程为： 肋基导入的热量Φ=Φ流体带走的热量λ所以肋片向流体的传热量恒等于肋基截面上导入的热量，根据傅立叶定律得 每片等截面直肋散热量的计算式为：)(1)(0mH th m h m h mH th m A H Hλλθλ++=Φ （2—1）式中：Φ ——散热量，W ；λ ——肋片导热率，W/（m.K ）；A ——肋片的横截面积，2m ；0θ——肋基过余温度，C 0；m —— 肋片组合参数，Azm λα=H h ——肋端处的对流换热系数，W/（2m ·K ）；H ——肋高，m 。
技术·创新/Technology and Innovation基于有限元仿真的冰箱门体热应力分析张卫卫 张魁仓 鲍 敏（长虹美菱股份有限公司 合肥 230601）摘要：冰箱门体的结构多是依靠经验进行设计，在门体发泡、高低温试验中经常会出现门体饰条开裂、变形等现象，需要经过多次设计与试验验证，造成设计成本高、周期长等问题。
通过有限元仿真的方法，在冰箱门体设计过程中进行热应力分析，模拟门体发泡、高低温试验温度场，可以有效减少门体设计过程中的缺陷，降低设计成本、缩减设计周期。
关键词：冰箱门体；热应力；有限元；分析Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｏｒ ｄｏｏｒ ｉｓ ｍｏｓｔｌｙ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｂｙ ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ． Ｉｎ ｔｈｅ ｄｏｏｒ ｆｏａｍｉｎｇ， ｈｉｇｈ ａｎｄ ｌｏｗ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｔｅｓｔ， ｔｈｅ ｃｒａｃｋｉｎｇ ａｎｄ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｄｏｏｒ ｔｒｉｍ ｓｔｒｉｐ ｏｆｔｅｎ ｏｃｃｕｒ， ｗｈｉｃｈ ｒｅｑｕｉｒｅｓ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｔｅｓｔ ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ， ｒｅｓｕｌｔｉｎｇ ｉｎ ｈｉｇｈ ｄｅｓｉｇｎ ｃｏｓｔ ａｎｄ ｃｙｃｌｅ． Ｌｏｎｇ ｗａｉｔ ｑｕｅｓｔｉｏｎｓ． Ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ， ｔｈｅ ｔｈｅｒｍａｌ ｓｔｒｅｓｓ ａｎａｌｙｓｉｓ ｉｓ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｉｎ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｏｒ ｄｏｏｒ， ａｎｄ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｔｈｅ ｄｏｏｒ ｆｏａｍｉｎｇ ａｎｄ ｈｉｇｈ ａｎｄ ｌｏｗ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｔｅｓｔ ｉｓ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ， ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｄｅｆｅｃｔｓ ｉｎ ｔｈｅ ｄｏｏｒ ｄｅｓｉｇｎ ｐｒｏｃｅｓｓ， ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｃｏｓｔ ａｎｄ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｃｙｃｌｅ．Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｏｒ ｄｏｏｒ；ｔｈｅｒｍａｌ ｓｔｒｅｓｓ； ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ； ａｎａｌｙｓｉｓＴｈｅｒｍａｌ Ｓｔｒｅｓｓ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｏｒ Ｄｏｏｒ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ引言冰箱门体是通过多个零部件拼接并填充发泡剂进行发泡制造而成，是冰箱的重要组成部分，其外观直接影响冰箱质量的优劣。
基于有限元仿真的IGBT模块的应力应变分析黄小华1郭红利2（1. 陕西电子信息职业技术学院西安710077；2. 西北农林科技大学机电学院陕西杨凌712100）摘要IGBT模块是变流器的主要部件，也是功率波动和热冲击的主要承受者，其可靠性直接决定了变流器的可靠性。
为研究IGBT模块在老化过程中的应力应变特性，从而进一步从物理机理上分析模块老化失效情况，利用COMSOL 软件进行有限元仿真，模拟了模块在损耗加热情况下的应力应变情况。
分析了在键合线，键合线焊接点以及焊料层上应力应变较大的原因。
总结了应力应变与模块温度、热通量、膨胀系数之间的关系，还通过人为添加空洞的方式，分析了焊料层空洞对模块状态的影响。
关键词IGBT模块COMSOL仿真应力应变老化失效电力系统中大量新能源的投入使用，在解决以往问题的同时，也出现了很多新的问题。
变流器在能源并网中有着极其重要的作用[1]，由于以往机组容量较小，而且比较分散，所以功率变流器对系统可靠性的影响通常被忽略。
但是，随着新能源的飞速发展，机组容量越来越大，变流器容量也越来越大，其可靠性将很大程度上影响系统的正常运行。
IGBT模块作为功率变流器的主要部件，也是功率波动和热冲击的主要承受者，其重复开通或关断时，在热冲击的反复作用下容易产生失效或疲劳效应[2]，这是导致变流器故障的主要原因。
因此，研究IGBT 模块的老化，提取其老化的特征参数，评估其剩余寿命和可靠性，从而指导变流器的运行和维护，对于提高变流器的可靠性,保证系统的正常运行具有重要意义。
当前，表征IGBT模块老化和评估其可靠性的模型可分为解析模型和物理模型两种[3]。
解析模型仅对老化数据进行拟合，表达直观，但不能体现本质的物理过程；物理模型是将器件的物理结构变化同老化数据结合分析得到，能够更加准确地表述物理机理，但是其形式一般较为复杂，计算量很大[4-6]。
IGBT模块各层材料膨胀系数的不同，在模块被损耗加热的过程中会受到热应力的作用；同时，模块内部是一个强电强磁的区域，带电部分同时会受到较强的电动力作用。
芯片设计中的热仿真与热管理策略随着科技的发展和计算机应用的广泛普及，芯片设计在现代电子技术中扮演着至关重要的角色。
然而，芯片在工作过程中会产生大量热量，对芯片的正常运行和寿命造成潜在的威胁。
因此，在芯片设计过程中，热仿真与热管理策略成为了必不可少的环节。
本文将就芯片设计中的热仿真与热管理策略进行探讨。
一、热仿真技术热仿真是芯片设计过程中的关键环节之一，通过仿真可以得到芯片在工作状态下的热分布情况。
热仿真可以帮助设计师评估芯片的热风险并及时采取相应的措施。
在热仿真中，常用的方法有有限元分析方法（FEM）和网格法（Mesh Method）。
有限元分析方法通过将芯片划分成有限数量的小单元进行计算，从而得到芯片的温度分布。
而网格法则是将整个芯片区域划分成网格，通过求解热传导方程得到芯片的温度分布。
二、热仿真技术的应用热仿真技术在芯片设计中有着广泛的应用。
首先，热仿真技术可以帮助设计师快速评估芯片设计方案的热特性。
在芯片设计的早期阶段，设计师可以根据仿真结果优化芯片布局，改变散热方式等，从而减少芯片的热量集中程度，提高整个芯片的散热能力。
其次，热仿真技术还可以用于芯片故障分析。
当芯片出现故障时，可以利用热仿真技术找出故障部位。
通过对比仿真结果和实际测量结果，可以快速定位故障，并采取相应的修复措施。
最后，热仿真技术还可以用于芯片的可靠性评估。
通过对芯片的热仿真，可以评估出芯片的热应力水平。
在实际使用中，如果芯片的热应力超过了其承受范围，很有可能会导致芯片的可靠性下降甚至故障。
三、热管理策略热管理策略是为了解决芯片内部过热问题而采取的措施。
在芯片设计过程中，设计师可以通过合理的热管理策略来提高芯片的散热能力，延长芯片的寿命。
常见的热管理策略有以下几种：1. 散热材料的选择：在芯片设计中，选择适合的散热材料非常重要。
一些导热性能好的材料，如铜、银等，具有较高的导热性能，可以有效降低芯片温度。
2. 散热结构的设计：合理的散热结构设计可以提高芯片的热传导效率。
基于ABAQUS对手机芯片的热应力仿真作者：占智贵王玢来源：《科技风》2017年第09期摘要：智能手机芯片发热功率越来越大，芯片的温度越来越高，CSP芯片的热应力开裂成为了一个严重的问题。
采用ABAQUS对CSP芯片的热应力进行仿真研究，对比研究了CSP 芯片有底充胶和无底充胶下的热应力，再采用不同材料参数的底充胶进行对比研究，为底充胶新型号的研发和合理选用提供理论上的依据。
关键词：智能手机；热应力；ABAQUS；底充胶随着智能手机发展，芯片的发热功率急剧上升，与此同时，手机外观要求超薄，导致设计上的散热空间极为有限，芯片温度控制难度极大。
由于热应力导致CSP芯片晶圆翘曲，严重时会产生开裂现象。
由于手机芯片尺寸较小，在温度循环下的热应力较难通过应变测试方法得到。
因此需要采用数值仿真的方法进行研究。
为了研究芯片的热应力分布情况，采用ABAQUS建立了芯片的热应力仿真有限元模型，进行了以下研究工作：1）对比CSP芯片底部填充底充胶和不填充胶，芯片产生的热应力；2）对比不同参数的底充胶，仿真分析CSP芯片产生的热应力，为底充胶新型号的开发以及合理选用提供理论上的依据。
1 热应力有限元模型建立1.1 网格划分有限元法的基本思想是把复杂的结构和形状离散拆分成形状简单的单元，因此网格划分是有限元分析的基础。
网格划分必须能够反映结构的形状以及受力特点，满足计算的精度。
通常，热应力仿真的单元可以采用平面应变热应力单元CPE4T，在模型的对称位置设置对称边界条件，有限元模型。
1.2 热应力仿真材料的参数设定芯片底充胶属于粘弹性材料，粘弹性材料属于温度敏感材料，因此，进行热仿真的前提就必须获取底充胶随温度变化的模量曲线和热膨胀系数曲线。
为测试得到模量曲线，可以制作胶膜，再进行DMA测试，进行定频扫温测试，得到材料随着温度变化的模量曲线，测试得到的A和B两种底充胶的模量曲线。
从测试曲线可以发现，底充胶存在玻璃转化温度，在玻璃转化温度附近位置，低于玻璃转化温度时，底充胶呈现玻璃态，模量会显著上升；底充胶A的模量显著高于底充胶B。
基于有限元仿真的IGBT模块的应力应变分析1.研究背景：IGBT模块的应力应变分析2.有限元分析原理1.1GBT模块的三维模型建立4.应力应变计算5.结果分析与讨论6.结论研究背景：IGBT模块的应力应变分析微电子芯片的性能和寿命对于其应用都具有重要意义，在精密电子设备中，IGBT模块是一种常见的微电子元件。
它的应力应变分析在研究其可靠性和参数变化方面尤为重要，而有限元法是解决实际工程问题的重要工具，在结构分析上备受重视。
因此，基于有限元仿真的IGBT模块的应力应变分析引起了学者们广泛的重视。
本文将通过基于有限元仿真的方法对IGBT模块的应力应变进行分析。
首先，我们将阐述有限元分析原理，然后建立IGBT模块的三维模型，之后进行应力应变计算，最后对计算结果进行分析和讨论。
希望本文可以帮助读者深入了解IGBT模块的应力应变，从而为IGBT模块的应用效用提供参考。
本章将阐明有限元分析原理。
有限元分析是一种用来计算结构设计和物理性能的精细数值分析方法，可以将实体模型在计算机中以有限多边形的有限元表示。
有限元分析可以用于解决复杂的动态、热、流体、结构等多种物理问题，例如影响IGBT模块性能的应力应变分析。
通过有限元，我们可以以较小的计算量和低精度获得准确的结果，因此有限元分析具有多方面的优势。
首先，使用有限元分析，我们可以根据给定的材料物理、力学参数计算结构变形和应力分布。
其次，对于复杂系统，有限元法能较好地模拟相邻单元之间的耦合关系，帮助我们更好地捕捉细节，提高精度。
最后，有限元分析能够有效地减少精度的损失，从而改善模拟的精度。
有限元分析是一种重要的结构分析方法，可以有效地解决实际工程问题，其在IGBT模块的应力应变分析中发挥着非常重要的作用。
本章将介绍IGBT模块的三维模型建立。
由于IGBT模块的结构考虑到几何形状的复杂性，因此三维模型建立是基于有限元仿真分析IGBT模块中应力应变的重要步骤。
首先，我们可以使用CAD软件建立IGBT模块的三维几何模型，并给出各部件的材料属性，包括弹性模量和泊松比。
热应力仿真案例热应力仿真是一种模拟材料或结构在温度变化时由于热膨胀系数不均匀、受约束条件限制而产生的内部应力的方法。
以下是一些使用不同软件进行热应力仿真的案例：1. **ANSYS Workbench 热应力简单案例**：- 当设备由不同热膨胀系数的材料组成时，即使各部分温度相同，冷却或加热过程中也会因为各材料不同的膨胀和收缩特性导致内部应力。
在Ansys Workbench中，可以建立多材料模型，施加温度边界条件，通过热固耦合分析（Thermal-Stress Analysis）来计算和可视化这种应力分布。
2. **PCB及封装结构热应力协同仿真**：- 在电子设计领域，使用SIwave等工具可以对印刷电路板（PCB）以及芯片封装结构进行热应力协同仿真。
例如，当电子器件工作发热时，结合温度场与结构力学分析，预测高温下PCB层间、焊点、封装材料等部位的热应力，防止因热疲劳导致的失效问题。
3. **ANSYS激光焊接过程热应力仿真应用**：- 使用Ansys Workbench可以模拟激光焊接过程中的温度演化和伴随的热应力生成。
通过对焊接接头几何模型进行详细的网格划分，并定义焊接工艺参数（如功率、扫描速度等），能够得出焊接过程中的瞬态温度场和应力场分布，为优化焊接工艺、减少焊接变形提供依据。
4. **ABAQUS热应力分析实例**：- 以刹车盘为例，在Abaqus中可以模拟刹车过程中由于剧烈摩擦产生的热量导致刹车盘快速升温，进而产生热应力的情况。
通过设置材料属性、接触条件、热源分布和边界条件，求解出刹车盘内部的温度分布和由此产生的热应力，有助于评估其热安全性及疲劳寿命。
这些仿真案例覆盖了从机械部件到电子组件的不同应用领域，通过现代CAE （计算机辅助工程）软件有效地帮助工程师们在设计阶段预测并解决潜在的热应力问题。
基于ABAQUS的热应力分析热应力分析是一种用于研究物体在温度变化下产生的应力变化的方法。
在工程设计中，热应力分析可以用于评估零件或结构在温度变化下的稳定性和可靠性。
ABAQUS是一种常用的有限元分析软件，可以用于进行热应力分析。
在ABAQUS中进行热应力分析的基本步骤如下：1.定义几何模型：首先需要根据实际情况创建一个几何模型。
可以通过ABAQUS中的几何建模工具创建几何体，也可以导入已有的CAD模型。
2.定义材料特性：接下来需要定义材料的热物性参数。
ABAQUS提供了多种材料模型，可以根据实际情况选择合适的模型。
在热应力分析中，需要定义材料的热导率和热膨胀系数等参数。
3.定义温度加载：在热应力分析中，温度加载是一个非常重要的因素。
可以通过定义恒定温度、温度梯度或温度函数等方式对模型进行加热或冷却。
ABAQUS提供了丰富的温度加载选项，可以根据具体需求进行配置。
4.定义边界条件：根据实际情况，在模型中定义边界条件。
这些边界条件可以包括约束条件、固定支撑点和力加载等。
在热应力分析中，边界条件可以用于约束模型的自由度，以及模拟外部力的作用。
5.网格划分：在进行有限元分析之前，需要对几何模型进行网格划分。
网格划分的精度和质量将直接影响到分析结果的准确性。
ABAQUS提供了多种网格划分工具，可以根据具体需求选择合适的方法。
6.定义分析步：根据实际情况，定义热应力分析的时间步长和总时长。
ABAQUS提供了多种分析步选项，可以根据具体需求进行配置。
在热应力分析中，需要考虑热传导和热膨胀的时间尺度。
7.运行分析：完成模型设置后，可以运行热应力分析。
ABAQUS将根据设定的边界条件、材料特性和加载条件对模型进行求解，得到温度分布和应力分布等结果。
8.结果分析：分析完成后，可以使用ABAQUS提供的后处理工具对结果进行可视化和分析。
可以绘制温度云图、应力云图、应变云图等等，以便更好地理解模型的行为。
总结：通过上述步骤，可以使用ABAQUS进行热应力分析。
第３５卷第６期２０１９年６月电力科学与工程ＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＶｏｌ ３５ꎬＮｏ ６Ｊｕｎ.ꎬ２０１９收稿日期:２０１９－０１－１６基金项目:国家自然科学基金资助项目(５１２０７０５４)ꎻ中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(１３ＭＳ７５)作者简介:孙海峰(１９８０ )ꎬ男ꎬ博士ꎬ副教授ꎬ从事电力系统电磁兼容方面的研究ꎻ王亚楠(１９９１ )ꎬ女ꎬ硕士研究生ꎬ研究方向为ＩＧＢＴ三维建模及其电磁骚扰下的特性分析ꎮ通信作者:王亚楠ｄｏｉ:１０ ３９６９/ｊ ＩＳＳＮ １６７２－０７９２ ２０１９ ０６ ００３基于有限元方法的ＩＧＢＴ热模型仿真孙海峰ꎬ王亚楠(华北电力大学电气与电子工程学院ꎬ河北保定０７１００３)摘㊀要:随着集成电路的发展ꎬ绝缘栅双极晶体管(ＩＧＢＴ)对电磁脉冲的敏感性增高ꎬ造成器件的疲劳与老化ꎬＩＧＢＴ模块失效将导致功率变流器故障ꎬ为了提高功率变流器的稳定性ꎬ保证电子设备能够正常工作ꎬ研究电磁脉冲对ＩＧＢＴ的影响是很有必要的ꎮ基于有限元软件ＣＯＭＳＯＬ建立的ＩＧＢＴ三维热模型ꎬ分析了ＩＧＢＴ在稳态以及瞬态下结温变化规律ꎮ研究了ＩＧＢＴ在单脉冲和周期脉冲作用下的热累积效应ꎬ捕获并比较了ＩＧＢＴ中的瞬态热响应和峰值温度ꎬ分析了ＩＧＢＴ在焊料层不同老化状态下的温度场ꎮ结果表明温度最大值出现在芯片中心ꎬ且脉冲功率幅值㊁脉宽㊁波形㊁频率等因素都会对结温有不同程度的影响ꎬ严重时将会导致模块失效ꎮ另外ꎬ焊料层老化导致导热系数降低ꎬ从而改变了热流的传递过程ꎬ使得热流从芯片传递到芯片焊料层所需的时间减少ꎬ导致器件更易发生损坏ꎮ因此ꎬ研究结果可为ＩＧＢＴ的设计及运行状态提供一定的参考ꎮ关键词:ＩＧＢＴꎻ热模型ꎻ电磁脉冲ꎻ热效应ꎻ焊料层老化中图分类号:ＴＭ４６㊀㊀文献标识码:Ａ㊀㊀文章编号:１６７２－０７９２(２０１９)０６－００１５－０８ＩＧＢＴｔｈｅｒｍａｌｍｏｄｅｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｂａｓｅｄｏｎｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄＳＵＮＨａｉｆｅｎｇꎬＷＡＮＧＹａｎａｎ(ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＮｏｒｔｈＣｈｉｎａＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＢａｏｄｉｎｇ０７１００３ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｗｉｔｈｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｃｉｒｃｕｉｔｓꎬｔｈｅｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｏｆｉｎｓｕｌａｔｅｄｇａｔｅｂｉｐｏｌａｒｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ(ＩＧＢＴ)ｔｏｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｐｕｌｓｅｉｎｃｒｅａｓｅｓꎬｗｈｉｃｈｒｅｓｕｌｔｓｉｎｆａｔｉｇｕｅａｎｄａｇｉｎｇｏｆｄｅｖｉｃｅｓ.ＦａｉｌｕｒｅｏｆＩＧＢＴｍｏｄｕｌｅｗｉｌｌｌｅａｄｔｏｐｏｗｅｒｃｏｎｖｅｒｔｅｒｆａｉｌｕｒｅ.ＩｎｏｒｄｅｒｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｐｏｗｅｒｃｏｎｖｅｒｔｅｒａｎｄｅｎｓｕｒｅｔｈｅｎｏｒｍａｌｏｐｅｒａｔｉｏｎｏｆｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｅｑｕｉｐｍｅｎｔꎬｉｔｉｓｎｅｃｅｓｓａｒｙｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｐｕｌｓｅｏｎＩＧＢＴ.Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｔｈｒｅｅ￣ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｔｈｅｒｍａｌｍｏｄｅｌｏｆＩＧＢＴｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｂｙｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｓｏｆｔｗａｒｅＣＯＭＳＯＬꎬｔｈｅｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆｊｕｎｃｔｉｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆＩＧＢＴｕｎｄｅｒｓｔｅａｄｙａｎｄｔｒａｎｓｉｅｎｔｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｗａｓａｎａｌｙｚｅｄ.ＴｈｅｔｈｅｒｍａｌａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎｅｆｆｅｃｔｏｆＩＧＢＴｕｎｄｅｒｍｏｎｏｐｕｌｓｅａｎｄｐｅｒｉｏｄｉｃｐｕｌｓｅｗａｓｓｔｕｄｉｅｄ.ＴｈｅｔｒａｎｓｉｅｎｔｔｈｅｒｍａｌｒｅｓｐｏｎｓｅａｎｄｐｅａｋｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆＩＧＢＴｗｅｒｅｃａｐｔｕｒｅｄａｎｄｃｏｍｐａｒｅｄ.ＴｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄｏｆＩＧＢＴｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔａｇｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｏｆｓｏｌｄｅｒｌａｙｅｒｗａｓａｎａｌｙｚｅｄ.Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｃｃｕｒｓｉｎｔｈｅｃｅｎｔｅｒｏｆｔｈｅ㊀㊀电力科学与工程㊀２０１９年ｃｈｉｐꎬａｎｄｔｈｅｆａｃｔｏｒｓｓｕｃｈａｓｐｕｌｓｅｐｏｗｅｒａｍｐｌｉｔｕｄｅꎬｐｕｌｓｅｗｉｄｔｈꎬｗａｖｅｆｏｒｍａｎｄｆｒｅｑｕｅｎｃｙｗｉｌｌａｆｆｅｃｔｔｈｅｊｕｎｃｔｉｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｔｏｖａｒｙｉｎｇｄｅｇｒｅｅｓꎬｗｈｉｃｈｗｉｌｌｌｅａｄｔｏｍｏｄｕｌｅｆａｉｌｕｒｅｉｎｓｅｒｉｏｕｓｃａｓｅｓ.Ｉｎａｄｄｉｔｉｏｎꎬｔｈｅａｇｉｎｇｏｆｓｏｌｄｅｒｌａｙｅｒｒｅｓｕｌｔｓｉｎｔｈｅｄｅｃｒｅａｓｅｏｆｔｈｅｒｍａｌｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙꎬｗｈｉｃｈｃｈａｎｇｅｓｔｈｅｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｐｒｏｃｅｓｓꎬｒｅｄｕｃｅｓｔｈｅｔｉｍｅｒｅｑｕｉｒｅｄｆｏｒｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｆｒｏｍｃｈｉｐｔｏｓｏｌｄｅｒｌａｙｅｒꎬａｎｄｍａｋｅｓｄｅｖｉｃｅｓｍｏｒｅｖｕｌｎｅｒａｂｌｅｔｏｄａｍａｇｅ.ＴｈｅｒｅｆｏｒｅꎬｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｒｅｓｕｌｔｓｏｆｔｈｉｓｐａｐｅｒｃａｎｐｒｏｖｉｄｅａｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｏｒｔｈｅｄｅｓｉｇｎａｎｄｏｐｅｒａｔｉｏｎｏｆＩＧＢＴ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ＩＧＢＴꎻｔｈｅｒｍａｌｍｏｄｅｌꎻｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｐｕｌｓｅꎻｔｈｅｒｍａｌｅｆｆｅｃｔꎻａｇｉｎｇｏｆｓｏｌｄｅｒｌａｙｅｒ０㊀引言㊀㊀绝缘栅双极型晶体管(ＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒꎬＩＧＢＴ)器件具有开关速度快㊁电压型驱动㊁驱动电路简单㊁低通态压降的特点ꎬ是变频装置㊁各种电源开关等的核心器件ꎬ并广泛应用在自动控制㊁电力供应以及可再生新能源等相关领域[１－６]ꎮ当前ꎬ随着现代电力电子技术的发展ꎬ要求ＩＧＢＴ模块具有更小的特征尺寸ꎬ更高的转化功率和集成化程度ꎮ因此ꎬＩＧＢＴ对电磁脉冲干扰更加敏感ꎮ通过各种媒介ꎬ电磁脉冲向电力㊁电子设备的内部进行渗透ꎬ将能量传递到设备的敏感部分ꎮ因为设备中敏感部分的能量密度非常高ꎬ作用在设备上的能量将转换成随时间和空间变化的大电压和大电流ꎬ造成温度和热应力波动次数增加ꎬ使得焊料层形变与老化ꎬ严重时造成电热击穿ꎮ为了采取有效的防护措施ꎬ保证各类电子信息系统的安全运行ꎬ研究ＩＧＢＴ在强电磁脉冲作用下的损伤效应[２]ꎬ具有相当重要的意义ꎮ文献[３]利用ＰＳｐｉｃｅ搭建了干扰信号下ＩＧＢＴ仿真电路ꎬ仿真了不同频率和不同波形下ＩＧＢＴ动态特性ꎬ但不能直观得到温度场的特性ꎮ文献[４]基于热效应半导体基本方程和热流方程ꎬ建立了用于仿真的ＭＯＳＦＥＴ器件模型和数值模型ꎮ文献[５]分析了不同焊料层失效程度对功率模块热应力影响规律ꎬ没有从温度角度进行分析ꎮ文献[６]介绍了一种电热校准方法ꎬ在给定的驱动电流下ꎬＩＧＢＴ芯片的有源半导体层的有效电阻通过与实验测量的比较来确定ꎮ文献[７－９]利用有限元仿真软件Ａｎｓｙｓ分析了ＩＧＢＴ温度分布特性ꎬ但没考虑到电磁干扰的影响ꎮ文献[１０]仿真分析了ＭＯＳＦＥＴ在电磁脉冲干扰下的热损伤效应ꎮ文献[１１]探究裂纹损伤对ＩＧＢＴ模块热特性及疲劳寿命评估的影响规律ꎮ文献[１２－１３]建立了ＩＧＢＴ模块三维有限元热模型ꎬ研究了ＩＧＢＴ模块在不同的基板焊料和芯片焊料脱胶程度下的结温和热应力ꎮ文献[１４－１６]基于瞬态热阻和温度梯度方面对ＩＧＢＴ焊料层健康状态评估ꎬ量化分析芯片焊料层失效㊁ＤＢＣ焊料层失效对器件整体失效的贡献ꎬ但没有从结温角度进行分析ꎮ文献[１７]利用有限元模型模拟分析了功率循环的温度水平对焊料层疲劳寿命的影响ꎮ没有电磁脉冲对焊料层老化的影响ꎮ文献[１８－２０]分析了ＩＧＢＴ老化进程对热参数的影响规律ꎬ提出了考虑老化进程影响的ＩＧＢＴ模块寿命评估模型ꎮ文献搭建试验平台ꎬ主要针对的风电系统ꎮ本文根据ＩＧＢＴ的结构和工作原理ꎬ利用有限元分析元件ｃｏｍｓｏｌ建立了ＩＧＢＴ的三维热模型ꎬ对单脉冲和周期电磁脉冲作用下的ＩＧＢＴ的热效应进行了数值研究ꎬ并分析了ＩＧＢＴ在焊料层不同老化状态下的温度场ꎬ得出了一些具有实际意义的结论ꎮ１㊀ＩＧＢＴ传热模型㊀㊀根据ＩＧＢＴ的内部结构及其导通机理ꎬ经简化ꎬ建立ＩＧＢＴ的三维热模型[６]ꎬ如图１所示ꎮ图２为其剖面图ꎬ模型各部分尺寸及材料热导率如表１所示ꎮ图１㊀ＩＧＢＴ热模型６１㊀第６期㊀孙海峰ꎬ等:基于有限元方法的ＩＧＢＴ热模型仿真㊀图２㊀ＩＧＢＴ热模型的剖面表１ 模型各部分尺寸及材料热导率材料热导率/(Ｗ (ｍ Ｋ)－１)厚度/μｍ铜热沉３９７１５０Ｐｂ￣Ｓｎ合金(焊料层)３５ ８５０背层金属２００４硅(芯片)１５０７０热源１５０７０㊀㊀图２中ꎬ沿Ｚ轴正向自上而下依次为硅芯片层ꎬ背层金属(合金)ꎬＰｂ￣Ｓｎ焊料层ꎬ铜热沉ꎮ其中硅层中的黑色区域代表垂直方向的导电通道ꎮ当形成ＭＯＳＦＥＴ沟道以后ꎬ由于电导调制的影响ꎬ垂直传导通道导通ꎬ产生很高的电流密度ꎬ导致产生很大的功耗ꎮ所以可将器件的元胞作为独立热源来建立元胞级别的模型ꎮ对于功率器件来说ꎬ每一个器件都可以看成是由Ｎ个子器件并联而成ꎬＩＧＢＴ也不例外ꎬ将一个ＩＧＢＴ器件等效为Ｎ个最基本的ＩＧＢＴ元胞并联ꎬ当器件导通时ꎬ电流从集电极通过各个基本ＩＧＢＴ单元流至发射极ꎮ芯片层中的黑色区域为ＩＧＢＴ模型中的垂直导通的基本元胞ꎬ作为热源按照８ˑ８阵列均匀等距排布在芯片层中[６]ꎮ为简化模拟计算ꎬ在保证建立的模型和实际工作情况基本一致的条件下ꎬ对ＩＧＢＴ三维热仿真模型以及仿真过程做以下简化:(１)忽略器件的热辐射和热对流传热ꎬ仅考虑热传导传热ꎻ(２)由于封装中ꎬ芯片上方的塑封材料的热导率非常低ꎬ相比于芯片下方的铜可忽略不计ꎬ因此ꎬ在模型中仅考虑热量从芯片向下方传递ꎻ(３)元胞为均匀发热体ꎻ(４)铜热沉底部温度不变ꎬ恒定为２９３ １５Ｋꎮ在ｃｏｍｓｏｌ的固体传热分析中ꎬ作为体载荷的耗热率Ｑ０加在热源上ꎬ模拟电流生热ꎬ计算公式为:Ｑ０＝Ｐ/Ｖꎮ其中ꎬＰ为作用在ＩＧＢＴ的功率ꎬＶ为模型中６４个热源的总体积ꎮ在模型中涉及的金属材料(铜㊁焊料等)在热仿真温度范围内的变化很小ꎬ由此引起的热阻值变化可以忽略不计ꎬ硅材料的热导率ｋ随温度Ｔ变化明显ꎬ满足如下公式:ｋ(Ｔ)＝３２０００Ｔ－８０(Ｗ/ｍ Ｋ)(２２０Ｋ<Ｔ<６００Ｋ)㊀㊀硅材料热导率随温度变化曲线如图３ꎮ图３㊀硅材料热导率随温度变化曲线图２㊀ＩＧＢＴ温度变化特性分析㊀㊀根据能量守恒原理ꎬＩＧＢＴ热源方程[１０]如下:Ｑ＝Ｊ Ｅ＋(Ｒ－Ｇ) (Ｅｇ＋３ｋＴ)－(Ｊｎ＋Ｊｐ) (２/３ｋ∇Ｔ＋１/２∇Ｅｇ)(１)㊀㊀在该方程中ꎬ各项依次表示为电流产生的焦耳热ꎬ复合过程中的热交换ꎬ以及禁带宽度差异和温度不均匀分布进行的修正ꎮＪ为电流密度ꎬＥ为电场强度ꎬＪｎ为电子电流密度ꎬＪｐ为空穴电流密度ꎬｋ为热导率(随温度变化)ꎬＧ为载流子的产生率ꎬＲ为载流子的复合率ꎮＩＧＢＴ内部热源处的温度高于周围温度ꎬ由于温度梯度的存在ꎬ热量将被传递到周围的低温ꎮ在稳态下ꎬ任何两个有温差ΔＴ的表面之间都存在热传导ꎬＰ＝ΔＴ/Ｒｔｈꎬ其中ꎬＲｔｈ为热阻ꎬ若材料的热阻热容为常数时ꎬ温差与功率成正比ꎮ１)升温过程令ｔ＝０时ꎬ对ＩＧＢＴ施加恒定功率Ｐ的脉冲信号ꎬ器件温度将随时间逐渐升高ꎬ直至达到动态平衡状态ꎮ对应于等效热路[１０]可以得出:７１㊀㊀电力科学与工程㊀２０１９年ＣｔｈｄΔＴ(ｔ)ｄｔ＋ΔＴＲｔｈ＝Ｐ(ｔ)(２)㊀㊀通过积分计算得到器件在单个功率脉冲Ｐ作用下的升温公式[１０]:Ｔ(ｔ)＝Ｒｔｈ(Ｔ)ˑＶ(ｔ)ˑＩ(ｔ)ˑ(１－ｅｔ/Ｒｔｈ(Ｔ)Ｃｔｈ(Ｔ))＋Ｔａ(３)Ｐ(ｔ)＝Ｖ(ｔ)ˑＩ(ｔ)㊀㊀对应的升温曲线如图４所示ꎮ图４㊀升温过程曲线由图４可知ꎬ在升温开始时ꎬ最高温度大幅上升ꎮ当温度接近峰值时ꎬ温升范围减小ꎬ曲线趋于平缓ꎬ温度接近饱和ꎮ２)降温过程当ｔ＝０时ꎬ对ＩＧＢＴ施加功率降为０ꎬ此时ＩＧＢＴ结温将会随时间逐渐降低ꎮ等效热路为:ＣｔｈｄΔＴ(ｔ)ｄｔ＋ΔＴＲｔｈ＝０(４)㊀㊀通过积分运算得到:Ｔ(ｔ)＝ＰＲｔｈｅ－ｔτｔｈ＋Ｔａ(５)㊀㊀对应的降温曲线如图５所示ꎮ图５㊀降温过程曲线由图５可知ꎬＩＧＢＴ由初始温度开始逐渐降温ꎬ直至器件内各处温度都降至环境温度Ｔａꎬ热容的储能逐渐释放ꎮ在初始阶段ꎬ温度降幅很大ꎬ当温度接近环境温度时ꎬ曲线下降趋于平缓ꎮ由于商用ＩＧＢＴ芯片一般被封装在模块内部ꎬ芯片表面由硅胶覆盖ꎬ其工作结温不易直接测量ꎬ因此采用仿真的手段来分析其结温变化过程ꎮ３㊀ＩＧＢＴ温度场仿真３ １㊀稳态功率下ＩＧＢＴ的热效应利用ｃｏｍｓｏｌ软件对ＩＧＢＴ进行稳态热仿真ꎬ根据ＩＧＢＴ的工作原理ꎬ整个ＩＧＢＴ芯片为热源ꎬ以Ｑ０＝Ｐ/Ｖ(体生热率)的形式加载了０ ５Ｗ㊁１Ｗ㊁１ ５Ｗ㊁２Ｗ恒定功率ꎬ结果如图６ꎬ总结如表２ꎮ图６㊀不同功率下ＩＧＢＴ芯片温度表２㊀恒定功率下芯片的温度功率/Ｗ最高温度/Ｋ最低温度/Ｋ０ ５３４１３３９１３８６３８０１ ５４３１４２２２４７５４５４㊀㊀由仿真结果可知ꎬ因为模型下方有散热装置ꎬ热量自芯片向下扩散ꎬ模型中的温度也由上自下依次下降ꎮ随着功率的升高ꎬ芯片的最高温和最８１㊀第６期㊀孙海峰ꎬ等:基于有限元方法的ＩＧＢＴ热模型仿真㊀低温都会升高ꎬ且由于硅片热导率的存在ꎬ温度非线性升高ꎮ在功率为１ ５Ｗ左右时ꎬ最低温度已经接近到硅片的正常工作温度４２３Ｋꎬ此时芯片已接近失效ꎮ芯片中心位置热源因为受周围热源间热耦合最显著ꎬ所以温度最高ꎬ因此以最高点温度为主要研究对象ꎮ３ ２㊀瞬态功率下ＩＧＢＴ的热效应３ ２ １㊀单脉冲下ＩＧＢＴ的热效应在考虑Ｓｉ材料热导率的情况下ꎬ对ＩＧＢＴ注入功率为１Ｗꎬ脉宽为１ｍｓ矩形单脉冲如图７ꎬ仿真结果如图８ꎬ由此可见在脉冲达到峰值时ꎬＩＧＢＴ结温和脉冲并不是同步的ꎬ而是结温继续上升ꎬ直至装置的产热和散热在一个单位时间内达到平衡ꎬ才在ｔ＝２ｍｓ时刻开始下降ꎮ此时ＩＧＢＴ已经超过一般允许温度４２３Ｋꎮ同时ꎬＩＧＢＴ内部的最高结温对应时刻等于脉冲的峰值下降对应时刻ꎬ而当脉冲急速下降时ꎬ温度下降的过渡时间为２ｍｓ左右ꎬ大于升温时间ꎮ图７㊀功率为１Ｗꎬ脉宽为１ｍｓ矩形单脉冲图８㊀恒定功率单脉冲对应的结温３ ２ ２㊀不同功率单脉冲下ＩＧＢＴ的热效应在ｔ＝１ｍｓ时ꎬ对ＩＧＢＴ分别施加功率为０ １Ｗꎬ０ ２Ｗꎬ ꎬ１Ｗ的矩形单脉冲ꎬ保持上升下降时间和脉宽不变ꎬ将得到的最高温度经ＭＡＴＬＡＢ处理ꎬ得到仿真结果如图９所示ꎮ图９㊀不同功率对应的结温若材料热阻热容都不随温度变化ꎬ由Ｐ＝ΔＴ/Ｒｔｈ可知ꎬ在恒定功率作用下ꎬ器件温度的增量ΔＴ与功率成线性关系ꎮ但由于硅材料的热导率随温度变化较明显ꎬ如图３ꎬ即热阻非定值ꎬ所以ＩＧＢＴ内部最高温度与功率脉冲幅度呈非线性关系ꎮ当作用于ＩＧＢＴ的功率幅度较小时ꎬ温度也较低ꎬ但此时硅呈现较高的热导率ꎬ因此ＩＧＢＴ器件散热量增多ꎬ导致低温区域温度上升较缓慢ꎮ随着功率的提高ꎬ温度也逐渐升高ꎬ但此时硅的热导率下降ꎬ散热量减少ꎬ因此高温区域的温度上升较快ꎮ所以随着脉冲幅值增大ꎬＩＧＢＴ温度升高的将越迅速ꎬ预防脉冲幅值过大是避免ＩＧＢＴ温度失效的方式之一ꎮ３ ２ ３㊀不同脉宽矩形单脉冲下ＩＧＢＴ的热效应当不同脉宽不同功率矩形单脉冲作用在器件时ꎬ对器件注入脉宽分别为０ ５ｍｓꎬ１ｍｓꎬ１ ５ｍｓꎬ２ｍｓꎬ２ ５ｍｓꎬ３ｍｓ的矩形单脉冲时ꎬ仿真结果如图１０所示ꎮ图１０㊀不同脉宽矩形单脉冲对应的最高温度由仿真结果可知ꎬ在脉宽在１ ５ｍｓ以下时ꎬ随９１㊀㊀电力科学与工程㊀２０１９年着脉宽的增加ꎬ同一功率作用下器件内部的最高温度增加较快ꎮ脉宽超过１ ５ｍｓ时ꎬ温度升高的幅度降低ꎮ因为当脉宽超过一定范围时ꎬＩＧＢＴ相当于在恒定功率下运行ꎬ并在脉宽未结束时达到温度稳定ꎮ所以在脉宽足够宽时ꎬ将不会成为ＩＧＢＴ温度持续升高的原因ꎮ此时ꎬ应该考虑降低ＩＧＢＴ的脉冲功率幅值ꎬ增加散热等方面降低ＩＧＢＴ温度ꎮ３ ２ ４㊀不同波形重复脉冲下ＩＧＢＴ的热效应对ＩＧＢＴ施加不同波形的重复脉冲信号ꎬ保持上升下降时间和脉宽不变ꎬ当重复波形脉冲为矩形波ꎬ方波ꎬ三角波ꎬ仿真结果如图１１所示ꎮ图１１㊀不同波形对应的结温当有重复脉冲作用在器件上时ꎬ产生热积累效应:即一个脉冲结束后ꎬ器件还未完全恢复冷却时又出现第二个脉冲ꎬ器件内部的温度将不断增高ꎬ温度峰值也会逐步提高ꎮ在每个波形的前两个周期中ꎬ三角波温度积累分别为ΔＴ＝５３Ｋꎬ矩形波温度积累为ΔＴ＝１１Ｋꎬ半正弦波温度积累为ΔＴ＝１７Ｋꎮ３种波形的上升和下降速率是不同的ꎬ各个波形的热积累效应有所差别ꎮ三角波脉冲的上升和下降速率较快ꎬ器件温度内部积累温度较高ꎬ三角波对应的最高温度较高ꎬ正弦波次之ꎬ方波温度积累最少ꎮ所以脉冲波形也是ＩＧＢＴ温度失效的一个因素ꎮ３ ２ ５㊀不同频率重复脉冲下ＩＧＢＴ的热效应当对ＩＧＢＴ注入峰值为１Ｗꎬ角频率分别为２０ｋＨｚꎬ３０ｋＨｚꎬ４０ｋＨｚ的矩形脉冲信号时ꎬ可得到相应的ＩＧＢＴ结温ꎬ仿真结果如图１２所示ꎮ由仿真结果可知ꎬ在脉宽均为０ １ｍｓ时ꎬ随着频率的升高ꎬＩＧＢＴ在相同周期个数内的热积累效应更强ꎮ而且在一个周期中ꎬ脉冲频率越大ꎬ热积累效应越明显ꎬ温度升高的幅度越快ꎬ器件越易受损ꎮ因此ꎬ控制脉冲频率在一定范围图１２㊀不同频率脉冲作用下ＩＧＢＴ结温内ꎬ或是加强ＩＧＢＴ的散热性能ꎬ避免ＩＧＢＴ的老化或失效ꎮ３ ３㊀焊料层老化对ＩＧＢＴ结温的影响随着ＩＧＢＴ焊料层的老化ꎬ焊料层有效散热面积逐渐减小ꎬ热导率降低ꎬ热阻相应增大ꎬ结温升高ꎬ当温度超过ＩＧＢＴ运行的最高允许温度时ꎬ器件将会失效ꎮ利用已建立的有限元模型ꎬ分析不同老化状态下模块瞬态结温的变化情况ꎮ调整材料的导热系数㊁有效面积或厚度可有效模拟焊料层失效ꎬ文献[１４]通过测量结温特性和器件的内部温度敏感参数作为温度传感器来估计结温ꎬ采用插入云母薄层的方式减小有效散热面积ꎬ模拟焊料层退化ꎬ研究ＩＧＢＴ的焊接层疲劳ꎮ而本文仿真中采用改变导热系数模拟改变散热面积方式ꎬ实现焊料层老化效果ꎮ对三维模型施加频率为２０ｋＨｚꎬ占空比为５０％ꎬ峰值功率为１Ｗꎬ计算出１ｍｓ内模型中芯片最高点温度随时间变化曲线ꎮ设置焊料层不同老化状态下的导热系数:２５Ｗ/ｍ Ｋꎬ１７Ｗ/ｍ Ｋꎬ１０Ｗ/ｍ Ｋꎬ仿真结果如图１３所示ꎮ图１３㊀基板焊料层正常与老化状态下ＩＧＢＴ的结温对比０２㊀第６期㊀孙海峰ꎬ等:基于有限元方法的ＩＧＢＴ热模型仿真㊀从图１３可以发现ꎬ焊料层在不同老化状态下的最高温度存在差异ꎬ随着老化程度的加剧ꎬＩＧＢＴ芯片结温上升明显增加ꎮＩＧＢＴ结温达到４００Ｋꎬ焊料层正常状态及其３种老化状态下所需时间依次为０ ４９１ｍｓꎬ０ ４６７ｍｓꎬ０ ４５４ｍｓꎬ０ ４３２ｍｓꎮ老化程度严重的焊料层在达到同一温度下ꎬ所需要的时间明显缩短ꎬ由此可知ꎬ芯片焊料层老化改变了热流的传递过程ꎬ热流从芯片传递到芯片焊料层所需的时间减少ꎬ即器件更易发生损坏ꎮ图１４为ｔ＝０ ４ｍｓ时ꎬ焊料层正常状态和老化状态下ＩＧＢＴ的温度分布ꎮ对比正常情况结果ꎬ当焊料层发生老化疲劳时ꎬ导致材料损耗增大ꎬ进而造成温度梯度上升ꎮ模型温度峰值升高温度分别为７８Ｋꎬ９８Ｋꎬ１１０Ｋꎬ１２４Ｋꎬ温度梯度增长没有按焊料层导热系数的比例增加ꎬ因此也验证了前面硅材料导热系数随温度变化明显的理论ꎮ图１４㊀ｔ＝０ ４ｍｓ时ꎬ基板焊料层正常与老化状态下ＩＧＢＴ的温度场分布４㊀结论㊀㊀本文基于有限元软件建立了ＩＧＢＴ热模型ꎬ从热学能量角度ꎬ分析了单个和周期功率脉冲作用下ＩＧＢＴ的热效应ꎬ由仿真结果发现ꎬ温度最大值出现在芯片中心ꎬ且脉冲功率模值㊁脉宽㊁波形种类㊁频率等因素都会影响结温不同程度的升高ꎬ严重时将会导致模块失效ꎮ同时ꎬ焊料层在长期热循环冲击和温度波动下发生老化ꎬ焊料层老化导致导热系数降低ꎬ改变热流的传递过程ꎬ热流从芯片传递到芯片焊料层所需的时间减少ꎬ即器件更易发生损坏ꎮ由此可见ꎬＩＧＢＴ或其他有源半导体器件中的热累积效应应被适当地处理ꎬ以便准确地预测其内部瞬态温度响应ꎬ特别是对于具有大脉冲持续时间比的ＥＭＰ的注入ꎮ同时ꎬ可以通过使用导热性能良好的焊料层材料降低温升速率ꎮ因此ꎬ本文研究结果对提高ＩＧＢＴ器件的高温可靠性ꎬ减少器件失效率有重要的意义ꎬ为ＩＧＢＴ的设计及运行状态提供一定的参考ꎮ参考文献:[１]周利华.ＩＧＢＴ的寿命评估方法研究[Ｄ].淮南:安徽理工大学ꎬ２０１７.[２]蒋玉想ꎬ李征.基于双脉冲的ＩＧＢＴ及驱动电路测试方法[Ｊ].电子技术ꎬ２０１２ꎬ３９(７):７８－８０. 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ABAQUS热应力分析实例详解热应力分析是指在材料受到热载荷的作用下，由于温度和热应力的非均匀分布而产生的应力状态。
ABAQUS是一种常用的有限元分析软件，可以用于进行热应力分析。
下面将以一个实例来详细介绍ABAQUS热应力分析的流程和步骤。
假设我们有一个具有热源的方形材料板，需要分析其热应力分布情况。
首先，我们需要确定仿真模型的几何尺寸和材料属性。
假设板材的尺寸为10cm x 10cm，材料为铝，具有线膨胀系数α=23.1×10^-6/°C和热导率λ=237W/m·K。
1. 创建模型：打开ABAQUS软件，创建一个新模型，并在模型中创建一个二维平面应变比例等效热应力分析。
选择“3D”模型，然后在“Parts”面板中点击右键，选择“Create”->“Part”，设置尺寸为10cm x 10cm。
2. 材料属性定义：在“Model”面板中选择“Materials”->“Create”->“Isotropic”来定义材料的力学性能。
输入铝的杨氏模量E=71 GPa和泊松比ν=0.333. 模型网格划分：在“Model”面板中选择“Mesh”->“Create”->“Part”，选择要进行网格划分的实体和面，然后定义网格大小。
可以根据需要设置不同大小的网格。
4. 网格单元类型选择：在“Mesh”面板中选择网格划分的网格单元类型。
可以选择线性三角形元、线性四边形元或其他类型的单元。
5. 温度加载：在“Model”面板中选择“Loads”->“Create”->“Temperature”来定义温度加载。
选择加载的表面或体实体，并设置温度大小和类型（恒定温度或温度曲线）。
6. 边界条件定义：在“Model”面板中选择“Bounadry Conditions”->“Create”->“Encastre”来定义边界条件。
选择边界条件所在的边或节点，并设置边界条件类型（固支、自由度约束等）。
