利用有限元分析優化功率模塊熱設計

梁 芳，何明珠

(中國電子科技集團公司第十八研究所，天津300384)

利用有限元分析優化功率模塊熱設計

梁 芳，何明珠

(中國電子科技集團公司第十八研究所，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熱元器件的溫升及其相互之間的熱耦合情況，根據熱分析結果提出熱設計方法。最后，根據得出結論對功率模塊各發熱器件進行重新布局，并經桌面試驗證實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

電子產品的主要失效形式為電子元器件的熱失效，據統計，電子產品的失效有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增長[1]。在實際應用過程中，發現功率模塊的熱退化現象嚴重，運行一段時間后，其封裝表面溫度過高，轉換效率降低，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的一個重要因素。所以功率模塊的熱設計是電源控制器設計中不可忽略的一個環節，直接決定了產品的性能指標參數，良好的熱設計是保證電源控制器運行穩定可靠的基礎。有關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，對其進行了熱分析，主要是進行熱場分析以及熱應力分析。熱應力場是結構力學場和溫度場的耦合；而熱場的分布可通過模擬仿真和實驗獲得，對于三維封裝來說，通過實驗方法一般只能獲得封裝實體外部的溫度場，而內部溫度場只能通過計算機仿真技術得到。

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，對功率模塊內部進行熱場及熱應力分析，了解整個封裝實體的溫度場分布情況，分析導致內部各器件過熱的主要原因，然后根據熱分析的結果提出有效的熱設計方法，并對功率模塊各部分進行合理布局。

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

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

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傳到基板，再經與機箱殼體的接觸導熱，將熱量傳至機箱殼體；另一條散熱路徑是通過元器件外殼表面向機箱殼體輻射。由經驗數據可知，通過接觸面向機殼的導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熱填料，如導熱硅脂、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，功率模塊內部發熱元器件產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，以導熱的形式傳遞到機殼底表面；電阻、互連線并沒有位于該傳熱通路上，因此對計算結果的影響很小。主要功率元器件的P-N結到印制板和機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結到基板和機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計應遵循以下原則：

(1)增大元器件與印制板(或機箱)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盡量利用引出線的導熱散熱，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熱熱阻。應使元器件到機箱殼體的導熱距離最短，盡可能降低元器件到機箱殼體的導熱散熱路徑的熱阻，同時也應采取消除產生熱應力的措施。

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

消除其他因素對發熱元器件散熱的影響后，通過有限元具體模擬分析濟南半導體研究所研制的XX型功率模塊，進行熱場及熱應力分析，了解整個封裝實體的溫度場分布情況，根據熱分析的結果提出有效的熱設計方法，進行功率模塊內部發熱元器件的布局優化，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果

結果顯示溫升最高點為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。有限元模型分析結果如圖9所示。

若按照原始設計，XX型功率模塊在工況1下，由圖7顯示內部器件最高溫度為92.2℃，元器件結溫為93.25℃(節殼熱阻為0.42℃/W)遠超過其降額溫度[4](90℃)，可靠性低，影響BDR模塊的性能。

圖8 優化后功率模塊三維模型

圖9 優化后功率模塊有限元模型分析結果

優化后的XX型功率模塊在工況1下，由圖9顯示內部器件最高溫度為79.4℃，元器件結溫為81.45℃(結殼熱阻為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，得出優化前后功率模塊內部器件最高溫度相差11.8℃(結溫)。

經桌面試驗證實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BDR效率為94.2%～94.4%。產品使用原設計功率模塊后估算整機效率為93.5%～93.7%，且熱可靠性低。故利用有限元熱分析優化解決功率模塊的溫升及轉化效率問題，對于大功率電源控制器的性能參數和可靠性具有重大意義。

[1]于慈遠，于湘珍，楊為民.電子設備熱分析熱設計熱測試技術初步研究[J].微電子學，2000,30(5):334-335.

[2]閔桂榮.航天器熱控制[M].2版.北京：科學出版社，1998.

[3]葉宏，焦東升，徐斌，等.I-DEAS熱分析實用教程[M].北京：中國科學技術大學出版社，2003.

[4]徐雷，廖炯生，余震醒，等.GJB/Z35-93，元器件降額準則[S].北京:國防科學技術工業委員會，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，主要研究方向為空間電源設備的機構設計及散熱問題。