• ISSN 1001-1455  CN 51-1148/O3
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不同固定方式下高压功率模块的抗冲击性能分析

覃峰 李俊焘 李金柱 杨英坤 高磊

覃峰, 李俊焘, 李金柱, 杨英坤, 高磊. 不同固定方式下高压功率模块的抗冲击性能分析[J]. 爆炸与冲击, 2022, 42(5): 053204. doi: 10.11883/bzycj-2021-0269
引用本文: 覃峰, 李俊焘, 李金柱, 杨英坤, 高磊. 不同固定方式下高压功率模块的抗冲击性能分析[J]. 爆炸与冲击, 2022, 42(5): 053204. doi: 10.11883/bzycj-2021-0269
QIN Feng, LI Juntao, LI Jinzhu, YANG Yingkun, GAO Lei. Analysis for impact resistance of the high-voltage power module with different fixed modes[J]. Explosion And Shock Waves, 2022, 42(5): 053204. doi: 10.11883/bzycj-2021-0269
Citation: QIN Feng, LI Juntao, LI Jinzhu, YANG Yingkun, GAO Lei. Analysis for impact resistance of the high-voltage power module with different fixed modes[J]. Explosion And Shock Waves, 2022, 42(5): 053204. doi: 10.11883/bzycj-2021-0269

不同固定方式下高压功率模块的抗冲击性能分析

doi: 10.11883/bzycj-2021-0269
基金项目: 科学挑战专题(TZ2018003)
详细信息
    作者简介:

    覃 峰(1992- ),男,硕士,助理研究员,qinfeng_mtrc@caep.cn

    通讯作者:

    李俊焘(1986- ),男,博士,副研究员,lijuntao_mtrc@caep.cn

  • 中图分类号: O347.3;TP319

Analysis for impact resistance of the high-voltage power module with different fixed modes

  • 摘要: 为了提升高压功率模块在高速冲击环境中的结构可靠性,研究了高压功率模块采用不同固定方式的抗冲击特性。基于一维应力波条件,针对模块在自由式霍普金森杆系统中的运动响应以及能量转换形式进行理论分析,完成了模块的变形能与动能结果对比。采用有限元方法模拟了20 m/s冲击速度下模块的运动和变形过程,提取关键结构的应力分布、挠度、位移响应速度和加速度响应曲线,其中应力响应最高位置在陶瓷基板层,达到427 MPa,挠度响应最高位置在金属底板层,达到了773.8 μm,模块整体位移速度最高达到17.68 m/s,加速度最高达到51 110.7g。对比4种固定方式的冲击响应结果,模块冲击后底板变形量由小到大分别为面贴装固定、四角点固定、短边两点固定和长边两点固定,面贴装模块的位移动能和加速度峰值最大。结果表明采用面贴装固定的模块在冲击加速度载荷下发生变形失效的可能性最小,面贴装在四种固定方式中是可靠性最高的安装方式,之后的选择优先度分别是四角点固定、短边两点固定和长边两点固定。研究成果为半导体高压功率模块在实际应用中的安装固定方式选择提供了重要理论依据。
  • 图  1  自研功率模块的结构

    Figure  1.  The structure of self-developed module

    图  2  简化冲击受力

    Figure  2.  Simplified impact loading

    图  3  FHPB装置单侧冲击

    Figure  3.  Single-side impact of the FHPB

    图  4  入射杆对试样的作用示意图

    Figure  4.  The effect of the incident bar on the sample

    图  5  功率模块内部关键结构模型

    Figure  5.  The model of the main structure of the power module

    图  6  功率模块关键结构1/4模型

    Figure  6.  The 1/4 finite element model of the main structure of power module

    图  7  功率模块固定形式

    Figure  7.  Fixed forms of the plate-level power module

    图  8  模块FHPB冲击试验与数值模拟结果对比

    Figure  8.  Comparison between FHPB impact experiment and simulation of the module

    图  9  等效应力分布

    Figure  9.  Von Mises stress distribution

    图  10  不同层最大应力对比

    Figure  10.  Comparison of maximum stress in different layers

    图  11  底板过载加速度曲线

    Figure  11.  Acceleration-time curves of substrate

    图  12  底板动态冲击挠度曲线

    Figure  12.  Dynamic deflection-time curve of substrate

    图  13  底板冲击速度曲线

    Figure  13.  Dynamic velocity-time curve of substrate

    表  1  功率模块内部关键结构材料参数

    Table  1.   Material parameters of plate-level power module

    结构厚度
    /mm
    密度
    /(kg·m−3
    弹性模量
    /GPa
    泊松比屈服强度
    /MPa
    FHPB冲击系统150078002100.30
    金属细支架1078002100.30
    铜底板289301170.34286.0
    覆铜层0.389301170.34286.0
    氮化铝陶瓷0.634003200.22427.0
    SAC305焊料0.17400330.3255.3
    纳米银焊料0.11050073.20.38180.0
    碳化硅芯片0.232003300.1473.6
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    表  2  四种固定方式下的冲击响应

    Table  2.   Impact response in four fixed modes

    冲击加载方式底板挠度/cm最大等效应力/MPa最大速度/(m·s−1底板过载加速度峰值/g
    Surface015.3217.6851 110.7
    4-corners-x0.056 1742716.7521 181.9
    4-corners-y0.004 9642716.7521 181.9
    2-points-S-x0.077 3842716.2219 000.9
    2-points-S-y0.013 1542716.2219 000.9
    2-points-L-x0.068 3342715.9130 339.5
    2-points-L-y0.028 2642715.9130 339.5
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-06-30
  • 修回日期:  2022-02-22
  • 网络出版日期:  2022-04-06
  • 刊出日期:  2022-05-27

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