基于對流換熱系數(shù)研究的DC-DC電源模塊熱模擬及熱可靠性研究.pdf

1、混合集成DC/DC電源模塊具有設(shè)計周期短、體積小、功率密度高、可靠性高、系統(tǒng)升級容易等特點，使其在各個領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛。然而隨著電源模塊組裝密度的進(jìn)一步加大，其單位體積容納的熱量越來越大，器件的工作溫度也隨之增大，其熱可靠性問題必將更加突出。因此，對功率DC/DC電源模塊進(jìn)行熱分析及熱可靠性的研究，對指導(dǎo)其熱可靠性設(shè)計具有重大意義。
　　本文針對某功率DC/DC電源模塊熱可靠性問題主要從兩方面開展了工作：其一，有限元熱仿真技術(shù)的

2、研究，通過對對流因素及建模因素的研究提高熱模擬精度；其二，基于熱分析的結(jié)果開展變壓器、玻璃絕緣子及VDMOS芯片的熱可靠性問題的研究。
　　首先，通過實驗研究自然對流換熱系數(shù)與散熱界面溫度之間的關(guān)系及強(qiáng)制對流換熱系數(shù)與風(fēng)速之間的關(guān)系，得到了符合小型電子設(shè)備表面散熱的自然對流換熱系數(shù)及強(qiáng)制對流換熱系數(shù)的數(shù)學(xué)模型，為DC/DC電源模塊熱模擬提供可靠的邊界條件。以三維建模軟件(Pro/E)和有限元軟件(ANSYS Workbench)為

3、輔助工具，通過改變傳統(tǒng)建模方法，建立微細(xì)結(jié)構(gòu)模型，以紅外熱像測溫試驗結(jié)果為基準(zhǔn)，比較兩種建模模型的熱模擬精度。結(jié)果表明微細(xì)結(jié)構(gòu)的熱模擬精度更高，更符合高可靠性產(chǎn)品的仿真需求。
　　然后，依據(jù)GJB/Z299B-98標(biāo)準(zhǔn)計算得到各組件功耗滿額工作時，變壓器的工作失效率為1.03×10-7/h，沒有達(dá)到產(chǎn)品要求（10-8/h）。以有限元熱模擬為手段，通過對電源模塊各組件功耗與變壓器熱點溫度的關(guān)系分析，得到各組件最大允許損耗不高于滿功耗

4、的94.6％。通過分析變壓器粘結(jié)膠、外殼材料及厚度對變壓器熱點溫度的影響，得到另一種控制變壓器工作失效率的途徑是減薄變壓器磁芯粘結(jié)膠厚度或增大外殼底部厚度。
　　其次，以有限元熱-結(jié)構(gòu)模擬為手段，研究了玻璃絕緣子的熱可靠性問題。通過對玻璃絕緣子的熱應(yīng)力分析發(fā)現(xiàn)：大溫變交替下，與玻璃絕緣子封接的引腳的截面在垂直方向的應(yīng)力交替變化，極有可能造成引腳與玻璃絕緣子之間產(chǎn)生縫隙而密封失效，并且玻璃絕緣子同一個單元處受到的應(yīng)力方向變化很大，有

5、可能造成玻璃絕緣子“疲勞”失效；通過建立不同模型對比分析，發(fā)現(xiàn)氣泡缺陷及引腳上的焊料對玻璃絕緣子的熱可靠性的影響很大。通過對不同的引腳上端焊料形狀進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)焊料越小對玻璃絕緣子的熱可靠性越有利。以玻璃絕緣子的許用抗張強(qiáng)度為基準(zhǔn)，通過熱-結(jié)構(gòu)模擬得到玻璃絕緣子熱膨脹系數(shù)使用的極限值范圍為4.66×10-6至6.42×10-6。應(yīng)用正交試驗得出玻璃絕緣子與外殼及引腳的封接結(jié)構(gòu)的最優(yōu)參數(shù)組合為：引腳直徑為1.3mm，外殼孔直徑為1.8