半导体集成技术和工艺随着科学技术的发展变得愈发成熟,功率器件产品趋向小型化,致使器件内部热流密度不断增加,散热问题愈加严重。传统的IGBT模块散热结构大多使用比较典型的翅片散热器,不同散热器的拓扑结构各有差异,那么散热效果显然不同,如果散热结构并非按照器件的热流路径进行设计,那么散热结构所起到的散热作用可能只是事倍功半。因此,优化散热拓扑结构是散热研究中的热点。本文针对功率器件的散热问题开展了基于SIMP法对功率器件IGBT散热结构进行优化拓扑设计的研究工作,主要开展的研究工作有:1.建立数学模型,基于SIMP理论建立了以结构整体的散热均匀度最优化为目标函数,对SIMP材料插值模型和优化准则法进行了详细的公式推导,并基于优化准则法针对该数学模型的求解流程和算法实现等方面进行有益探讨,利用MATLAB软件探讨不同边界条件、热源数量和不同体积约束条件对拓扑构型的影响,最终计算出较优的拓扑优化设计结构,得出功率器件IGBT散热结构的三维可视化模型。2.基于SIMP法所设计的散热结构,将散热结构简化为三维物理几何模型,并建立IGBT模块三维仿真模型,通过对散热器结构做稳态热分析探究散热结构的散热效果,以结温与热阻为指标,将衬板材料和衬板厚度、焊层厚度、芯片粘结材料设成变量因素逐一开展稳态热分析,通过横向和纵向的对比讨论,探究各因素对散热性能的影响趋势,从散热设计的要求与措施、冷却方式的选择、外界环境的优化措施三方面提出对IGBT模块散热结构的优化设计方案。3.分析IGBT模块的等效热应力。将对IGBT模块进行散热性能分析时所得的温度场分布作为载荷,仿真得出IGBT模块各层材料的等效热应力分布云图,以最大热应力为指标,将衬板材料和衬板厚度、焊层厚度、芯片粘结材料设成变量因素逐一开展热应力分析,探究各因素影响IGBT模块各层材料等效热应力的规律,依据分析所得出的规律对IGBT模块散热结构进行优化,分析优化后的IGBT模块散热性能与模块各层材料的等效热应力,实现功率器件IGBT散热结构的拓扑优化设计。研究结果显示:基于SIMP法的数学模型采用优化准则法进行求解可以得到较好的拓扑优化构型,当体积分数为30%时,结构的拓扑优化细节比较好。基于此散热结构,开展IGBT模块整体优化,其优化结果相比未优化之前所设计的IGBT模块,最高结温下降了45.63%,IGBT模块最大等效热应力下降了40.35%。本文的研究方法对功率器件散热结构的优化拓扑设计及器件散热性能的提高有重要的理论参考价值,有利于将拓扑优化理论运用于散热结构设计的工程实践。