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基于FDTD显式时间步进框架的功率器件封装瞬态热力耦合分析
Transient Thermomechanical Coupling Analysis of Power Device Encapsulation Using an FDTD-Based Explicit Time-Stepping Framework
| 作者 | Yan Peng · Huaguang Bao · Tiancheng Zhang · Dazhi Ding · Jian Yang · Zongguang Yu |
| 期刊 | IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology |
| 出版日期 | 2025年8月 |
| 技术分类 | 储能系统技术 |
| 技术标签 | 储能系统 多物理场耦合 可靠性分析 |
| 相关度评分 | ★★★★ 4.0 / 5.0 |
| 关键词 | 热机械耦合 数值模型 有限差分时域法 回流焊接 封装结构优化 |
语言:
中文摘要
为解决封装过程中影响功率器件可靠性的关键热机械耦合难题,本文基于时域有限差分(FDTD)方法建立了瞬态热机械耦合数值模型。通过拓展FDTD的显式时间步进策略,在统一的计算框架内对热传导方程和固体力学方程进行离散和求解。该方法无需生成和求逆隐式算法所固有的大型刚度矩阵,从而显著降低了计算复杂度。采用傅里叶定律结合Yee网格中心差分格式对热场进行离散,并引入实时热膨胀应变张量修正机制,以准确捕捉材料非线性特性,并持续更新结构场中的位移和应力。基于所提出的数值模型,我们对实际回流焊接过程进行了模拟,并将结果与COMSOL模拟结果和实验数据进行了验证。揭示了热循环载荷作用下封装外壳的三维变形分布,并建立了材料参数、温度场和应力场之间的定量映射关系。这些结果为优化封装结构和控制功率器件性能参数提供了重要的理论基础。
English Abstract
To address critical thermomechanical coupling challenges affecting power device reliability during encapsulation processes, this paper develops a transient thermomechanical coupled numerical model based on the Finite-Difference Time-Domain (FDTD) method. By extending the explicit time-stepping strategy of FDTD, the heat conduction equation and solid mechanics equations are discretized and solved within a unified computational framework. This approach eliminates the need for generating and inverting large stiffness matrices inherent to implicit algorithms, thereby significantly reducing computational complexity. The thermal field is discretized using the Fourier law with a Yee grid-centered difference scheme, and a real-time thermal expansion strain tensor correction mechanism is introduced to accurately capture material nonlinearities and continuously update displacements and stresses in the structural field. Based on the proposed numerical model, we simulated the actual reflow welding process and validate results against COMSOL simulations and experimental data. The three-dimensional deformation distribution of the encapsulation shells under thermal cycling loading was revealed, and a quantitative mapping relationship between material parameters, temperature fields, and stress fields has been established. These results provide a critical theoretical foundation for optimizing encapsulation structures and controlling power device performance parameters.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这项基于FDTD方法的瞬态热-机械耦合分析技术对我们的核心产品具有重要的工程应用价值。在光伏逆变器和储能系统中,功率器件(如IGBT模块、SiC功率芯片)的封装可靠性直接影响产品的长期稳定性和市场竞争力,尤其在户外极端温度环境和频繁充放电循环工况下,热应力导致的封装失效是系统故障的主要原因之一。
该技术的核心价值在于提供了一种高效的瞬态仿真工具,能够在设计阶段精确预测回流焊接等封装工艺过程中的三维形变分布和应力场演化。相比传统隐式算法,显式时间步进策略显著降低了计算复杂度,这对于我们进行大规模参数优化和多工况快速迭代设计极为关键。实时热膨胀应变修正机制能够准确捕捉材料非线性行为,这对于评估不同封装材料(如导热胶、灌封胶)的匹配性和优化散热结构设计具有直接指导意义。
从技术成熟度看,该方法已通过COMSOL仿真和实验数据验证,具备工程化应用基础。对阳光电源而言,主要机遇在于:可缩短功率模块的设计验证周期,降低实验成本;建立材料参数与可靠性的定量映射关系,支撑国产化替代和成本优化;提升产品在严苛环境下的可靠性指标。
潜在挑战包括:需要建立完整的材料数据库和工艺参数库;算法需适配复杂的多层异构封装结构;与现有CAE流程的集成需要定制化开发。建议在关键功率模块研发中先行试点,逐步建立适用于阳光电源产品特点的仿真分析平台。