基于瞬态热阻的IGBT焊料层失效分析

焊料层失效是绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)器件最主要的失效方式之一,有效的焊料层失效评估方法对提高系统可靠性尤其重要。该文提出了基于瞬态热阻的IGBT焊料层健康状态评估及失效部位判定方法,量化分析芯片焊料层失效、DBC焊料层失效对器件整体失效的贡献。首先,利用三维有限元仿真证明该方法评估功率器件焊料层疲劳老化的可行性;然后,提取IGBT模块的结构函数曲线建立三阶Cauer模型,实现对不同焊料层失效程度的量化评估以及失效点判定;最后,搭建试验平台,分析不同工况和失效状态下瞬态热阻曲线的变化规律,验证所提出的瞬态热阻法评估IGBT焊料层失效的有效性。     

基于有限元法的IGBT模块焊料层可靠性研究设计

IGBT模块具有建立内部电气连接、机械支撑和冷却组件的重要作用,而焊料层是IGBT模块能够有效发挥这些作用的关键部件。IGBT模块的功能非常依赖于焊料层的可靠性。本文以一个实际的IGBT模块作为研究实例,利用有限元模型模拟分析了功率循环的温度水平对焊料层疲劳寿命的影响,根据焊料层的温度可靠性分析结果,对焊料层的设计和选择提出了建议。     

计及焊料层疲劳累积效应的IGBT模块寿命评估

作为大功率变流器的关键单元,绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)的高可靠性是系统稳定运行的重要保证,准确的寿命评估是提高系统可靠性的有效手段之一。然而,目前器件寿命评估多忽略焊料层疲劳造成的热阻、热载荷增大效应,易高估器件寿命。针对该问题,该文提出计及焊料层疲劳累积效应的IGBT模块寿命评估模型,该模型考虑焊料层失效位置信息以及疲劳造成的热特性反馈效应。首先,基于IGBT模块三维电–热–力多物理场耦合模型分析不同焊料层疲劳对模块热响应影响的差异;其次,提出基于Cauer模型的考虑焊料层疲劳位置信息的热网络更新策略;然后,基于该策略建立适时更新热网络的计及焊料层疲劳对模块老化加速作用的寿命预测模型;最后,与现有寿命预测模型对比分析实际风速下风机变流器中IGBT模块的寿命评估。     

IGBT器件使用指南

在国际上80年代中后期出现的一种绝缘栅双极晶体管IGBT,它是微电子的先进工艺技术向电力电子领域渗透发展的产物,人们称之谓第三代电力电子器件(第一代为硅晶闸管,第二代为GTO可关断晶闸管、GTR-巨型晶体管),它具有功率MOSFET(包括VDMOS)器件和双极功率晶体管的一系列优点。现在新型的IGBT已克服了早期IGBT常见的锁定(Latch-up)问题,正在许多产品中取代双极功率晶体管。IGBT具有易于驱动、快速开关等优点,     

柔性直流输电换流阀用IGBT模块焊料层疲劳寿命研究

绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)作为柔性直流输电交直流变换的关键部件,其可靠性直接决定柔性直流输电系统的稳定运行。在换流阀运行过程中IGBT模块会受到各种不同的故障影响,导致电流急剧上升,从而造成IGBT模块温度升高使焊料层产生一定的损伤,最终导致焊料层疲劳失效。为此,以柔性直流输电换流阀用IGBT模块为研究对象对其进行功率循环条件下电磁-热-机械应力耦合分析。再利用基于应变的疲劳寿命模型,根据Coffin-Manson公式,以焊料层单个功率循环产生的非弹性应变增量为条件,对焊料层进行寿命预测。最后设计了10 kW/1 000 A功率循环试验平台,对仿真分析得出的电、热特性以及焊料层疲劳寿命进行验证。结果表明上焊料层温度分布与键合线键合点位置分布相关,下焊料层温度分布与芯片位置分布有关;焊料层温度分布不均、温差较大引起的热应力是导致焊料层疲劳失效的主要原因,且上焊料层疲劳寿命小于下焊料层。     

NPC三电平中IGBT焊料层多物理场耦合失效分析

针对传统的多物理耦合分析建模方式需要试验来提取参数,同时电物理参数的提取难度大,静态功耗的计算正确性难以保证、耗费了人力物力等问题,提出一种利用IGBT动态模型来分析焊料层多物理场耦合失效的方法。首先对IGBT模块进行动态仿真,使用Simplorer软件计算NPC三电平逆变器的动态功耗;然后使用动态功耗在ANSYS软件中进行三维有限元建模;最后利用三维有限元模型求解出电-热-力多物理耦合失效分析的解。分析功耗仿真结果可知,逆变器内侧IGBT的功耗要比外侧IGBT高,有限元分析结果验证了动态模型可以准确仿真三电平逆变器功耗不均衡问题。分析三维有限元耦合仿真结果可知,与传统IGBT电-热耦合仿真相比,结温仿真模型误差减小了10%。电-热-力多物理场耦合模型可以更好的显示IGBT焊料层存在缺陷时的多场应力状态。研究结果表明,该方法操作简单,动态功耗求解结果和多物理耦合应力分析结果准确度较高。     

新型功率器件IGBT研制

对ＩＧＢＴ的伏安特性，开关特性及闩锁效应进行了系统研究，结合实施工艺对ＩＧＢＴ版图及工艺进行了优化设计。合作开发了适合制作ＩＧＢＴ的异型厚外延材料。研制成功了１０Ａ／８００Ｖ，２０Ａ／１０５０Ｖ的ＩＧＢＴ芯片，并给出了测试结果。     

IGBT和GTR器件的识别

问 现在,多数变频器采用IGBT器件,而老的变频器用的是GTR器件,请问它们之间的区别是什么？该怎样识别变频器采用的是IGBT还是GTR？     

焊接层空洞率对LED背光源组件热阻的影响

焊接层空洞是引起电子器件和光电子器件失效的一种重要因素,同时也是应用系统可靠性研究的重要内容之一。它增大了焊接层的热阻使得功率半导体芯片由于散热不良而失效,本文通过实验研究了空洞率对LED背光源组件热阻的影响,结果显示随着焊接层空洞率的增大,样品结温与组件热阻都明显增加,且基本呈线性增长趋势,当空洞率约为17%时,热阻增长6.03%,结温提高1.74%;当空洞率约为73%时,热阻增长24.7%,结温提高9%。     

基于电-热-机械应力多物理场的IGBT焊料层健康状态研究

绝缘栅双极晶体管(IGBT)模块失效将导致功率变流器故障,而IGBT主要失效模式之一——焊料层疲劳则主要是由于温度分布不均匀和材料参数不匹配引起的热应力造成。因此研究IGBT模块温度-机械应力分布特性,对变流器安全评估尤其重要。基于所建立的IGBT功率模块电-热-机械应力多物理场模型,分析了IGBT模块稳态以及瞬态下的热-机械应力分布特性规律。基于论文提出的模型,针对IGBT焊料层疲劳失效,分析了焊料层空洞位置以及大小对功率模块热-机械应力的影响规律,结果表明焊料层热应力最大值出现在焊料层边角以及空洞边缘处,相同面积下拐角空洞更容易导致IGBT模块失效,而且芯片结温随着中心空洞半径增加而升高,当空洞率达到50%时,结温温升达到5.10℃,严重时将会导致模块失效。基于能量微分以及热应力理论,本文提出了基于温度梯度评估焊料层运行状况的方法,并从理论以及仿真模拟层面,验证了该方法的准确性,并分析了不同焊料层失效程度对温度梯度的影响规律,发现温度梯度变化规律与结温变化规律一致,且灵敏度高,具有可追踪故障点位置的优点。     

负载电流对IGBT器件中键合线的寿命影响和机理分析

通过器件的功率循环试验可建立寿命模型,如最常用的CIPS08公式,用来预测实际工况下的寿命情况。其中结温波动和结温最大值对键合线寿命的影响最大,但是在功率循环试验中往往需要同时调节负载电流大小和开通时间来达到相同的结温波动和结温最大值。为了进一步评估负载电流和开通时间这两个参数对键合线寿命的贡献,尤其是负载电流的影响机制,该文对650V/20A的TO封装IGBT器件在相同的结温波动和结温最大值,但在不同的负载电流大小和开通时间的组合条件下进行了功率循环试验。结果表明,不同的负载电流和开通时间组合对器件寿命有不可忽略的影响,电流增大会显著降低IGBT器件中键合线的寿命。为了解释试验出现的现象并揭示其作用机制,该文建立TO封装IGBT器件的电-热-力多物理场有限元模型,考虑铝键合线和表面金属层的弹塑性特性,分析电流影响键合线应力大小的机理。同时引入金属疲劳寿命模型,得到的仿真寿命趋势与试验结果相吻合。该文研究可为IGBT器件的精确模型建立和键合线疲劳寿命预测提供指导意义。     

负载电流对IGBT器件中键合线的寿命影响和机理分析

通过器件的功率循环试验可建立寿命模型,如最常用的CIPS08公式,用来预测实际工况下的寿命情况。其中结温波动和结温最大值对键合线寿命的影响最大,但是在功率循环试验中往往需要同时调节负载电流大小和开通时间来达到相同的结温波动和结温最大值。为了进一步评估负载电流和开通时间这两个参数对键合线寿命的贡献,尤其是负载电流的影响机制,该文对650V/20A的TO封装IGBT器件在相同的结温波动和结温最大值,但在不同的负载电流大小和开通时间的组合条件下进行了功率循环试验。结果表明,不同的负载电流和开通时间组合对器件寿命有不可忽略的影响,电流增大会显著降低IGBT器件中键合线的寿命。为了解释试验出现的现象并揭示其作用机制,该文建立TO封装IGBT器件的电-热-力多物理场有限元模型,考虑铝键合线和表面金属层的弹塑性特性,分析电流影响键合线应力大小的机理。同时引入金属疲劳寿命模型,得到的仿真寿命趋势与试验结果相吻合。该文研究可为IGBT器件的精确模型建立和键合线疲劳寿命预测提供指导意义。     

界面层对台面型高压电力器件的影响

本文研究了硅基片和半绝缘多晶硅薄膜（SIPOS）之间槽型氮化层厚度与台面型高压电力二极管击穿电压的关系，通过沉积外加介质层，进一步改进了击穿电压，所测得的击穿电压值可能与SIPOS－槽型氧化层一氧化硅界面处的固定电荷有效密度有关。后者可以用高频电容－电压技术来测定。     

IGBT和MOSFET器件的隔离驱动技术

介绍了绝缘栅大功率器件各种不同的驱动技术以及当前市场上的各类成品驱动器的性能特点。     

IGBT和MOSFET器件的隔离驱动技术

开关电源中功率管的驱动对电源的工作意义重大，因而开关电源中功率器件驱动电路的设计一直是电源领域的关键技术之一。本文介绍了绝缘栅大功率器件的各种不同驱动技术以及当前市场上的各类成品驱动器的性能特点。     

压接型IGBT器件与焊接式IGBT模块热阻测试方法对比研究

压接型IGBT器件不仅封装形式不同于焊接式IGBT模块,而且工作条件也有一定的差别,这些差异可能最终导致两种器件的热阻测试方法也有差异。通过两种热阻测试方法(传统热电偶法和瞬态双界面法)对焊接式IGBT模块和压接型IGBT器件进行热阻实验对比分析,总结出适用于压接型IGBT器件的热阻测试方法。传统热电偶法由于需要通过放置热电偶测量被测器件的壳温,只适用于小紧固力作用下的焊接式IGBT模块结到壳热阻值的测量,而不适用于强外部作用力下的压接型IGBT器件结到壳热阻值的测量。瞬态双界面法由于不需要通过热电偶测量被测器件的壳温,不仅适用于焊接式IGBT模块结到壳热阻值的测量,也适用于压接型IGBT器件结到壳热阻值的测量。     

压接式IGBT器件封装结构对并联芯片开通电流的影响与抑制

对于压接式IGBT器件,封装结构引起的寄生参数不一致将导致开通瞬态过程中并联IGBT芯片的电流分布不一致,使部分芯片在开关瞬态过程中的电流过冲太大,从而降低了开通性能。采用寄生参数提取、电路建模仿真以及实验验证的方法,首先在压接式IGBT器件各并联芯片驱动回路参数一致的条件下,研究了发射极凸台布局对并联芯片开通电流一致性的影响。其次,在发射极凸台布局完全对称的情况下,研究了栅极PCB板不对称布局对各并联芯片开通电流一致性的影响。最后,提出了一种可以改善各并联芯片开通电流一致性的双针+双层PCB板的驱动结构,并分析了该结构的均流效果。     

压接型IGBT器件内部压力分布

压接型IGBT器件内部各组件直接堆叠在一起,通过外部压力使得各组件间保持良好的机械与电气接触,进而引入一定比例的接触电阻和接触热阻,所以器件内部的压力分布不仅影响器件内部的电流分布和温度分布,还将严重影响器件的可靠性。基于压接型IGBT器件的有限元计算模型和特殊的应用工况,研究压接型IGBT器件内部的压力分布情况,重点探讨器件内部各组件加工误差与内部的布局方式对器件内部压力分布的影响。通过压力夹具和压力纸等进行压接型IGBT器件内部压力分布的实验,实验结果不仅验证了有限元模型和边界条件的正确性,还表明外部压力加载对器件内部压力分布的影响。