基于壳温的IGBT模块键合引线疲劳寿命预测

为了研究功率循环下键合引线的疲劳寿命,提高IGBT模块的可靠性,文中提出了一种基于壳温的键合引线寿命预测方法。首先对IGBT模块进行功率循环测试,探究了键合引线的疲劳失效机理;然后建立IGBT模块的电—热—结构强耦合模型,分析了模块在功率循环载荷下的电、热、结构特性。依据键合引线的应变情况和实验测得的疲劳曲线,评估键合引线的疲劳寿命,并在壳温基础上建立了其寿命预测模型,对比测试结果验证了该模型的准确性;最后提出了铜键合引线的改进方案。根据易测量的壳温来确定键合引线的使用寿命,提前更换器件,能降低IGBT模块的故障率。     

基于结温补偿的IGBT模块键合线失效监测方法

针对目前绝缘栅双极型晶体管(IGBT)结温估测存在误差的问题,利用通态压降作为结温估计的函数,考虑IGBT模块内部互连材料等效电阻的影响,对估计结温进行补偿,通过实验验证补偿后的温度更接进芯片的真实温度。在此方法的基础上,模拟IGBT模块老化的进程,确定键合线失效阈值,并建立键合线失效基准面。实验结果表明健康的IGBT功率模块和故障模块在三维曲面上具有很好的区分度,验证了运用该方法监测模块内部键合线失效情况的可行性。     

IGBT功率模块键合线故障下的温度特性研究

针对IGBT功率模块不断承受温度变化和功率循环后导致的键合线脱落(典型故障之一),基于红外探测法和热电阻接触测温法,研究了IGBT模块键合线故障下从芯片到底板的稳态热阻抗、芯片温场分布和温度变化。研究表明:键合线脱落不会影响IGBT模块从芯片到底板的稳态热阻抗值;键合线脱落后,芯片表面温场分布不均且芯片中心温度变化率增大。这些温度变化特性均可作为诊断键合线故障的重要依据。     

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。     

基于拓扑优化的车用功率模块Pin-Fin设计方法

集成Pin-Fin散热器可以降低功率模块的结-流热阻，是车用电机控制器热管理的发展趋势。然而，传统参数设计方法无法定量表征Pin-Fin的形貌结构，设计自由度低、设计效果欠佳，难以实现Pin-Fin的热-流协同设计。基于变密度拓扑优化方法，该文提出一种Pin-Fin形貌结构的设计方法，建立Pin-Fin设计的变密度拓扑优化模型，分析模型参数对优化结果和收敛性的影响规律，形成以结-流热阻和冷却液压降为目标的协同优化方法，探索Pin-Fin结构的热-流耦合规律和强化换热方法，得到最优的Pin-Fin散热器形貌结构，搭建变流器实验平台和车用电机控制器样机，对标商业化圆形Pin-Fin结构，以及三角形、菱形和水滴形等其他形貌结构，计及母线电压、负荷电流和冷却液流量的影响，实验结果验证了所提模型方法的可行性和有效性。实验结果表明：基于拓扑优化方法设计的Pin-Fin结构，与传统结构相比可以降低12%的结-流热阻，消除了多芯片结温差异的80%，为车用功率模块和电机控制器研究提供新的思路。     

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。     

IGBT功率模块加速功率循环试验的研究

在此设计了绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块加速功率循环试验电路,通过结温差60 K,80 K和100 K的3次加速功率循环试验,发现铝键合线的翘起、脱离或熔断是加速功率循环试验中IGBT模块失效的主要形式。加速功率循环试验的失效周期数能较好符合经典的寿命预测模型,这说明通过提高结温差来进行加速功率循环试验可大大缩短试验时间,从而提高IGBT模块可靠性的验证效率。     

考虑器件结构布局的功率循环失效模式分离机制

功率循环作为考核器件封装可靠性最重要的测试被广泛应用,IGBT器件的寿命模型也越来越完善,考虑的影响因素也越来越多,如器件参数也被考虑到了CIPS08模型中,但器件失效模式的分离和失效机理的研究一直是难点。文中将脱离传统方法中测试条件的影响,重点考虑器件结构布局带来的热应力分布差异,深入研究器件不同结构布局情况下失效模式的分离机制,把握器件失效的根本原因,旨在为IGBT器件的封装结构设计提供理论指导。以INFINEON公司全桥模块EasyPACK(FS25R12W1T4)为测试对象,针对模块中具有不同IGBT芯片与DCB(direct copper bonded)板面积比的两个IGBT芯片(开关2和3)进行相同测试条件(结温差△Tj≈90K和最大结温Tjmax≈150℃)下的功率循环对比测试,以明确其失效模式。实验结果表明,具有小面积比的IGBT芯片为键合线失效,而具有大面积比的IGBT芯片则表现为焊料层的老化。这说明小的面积比可有效减小焊料层的温度梯度,从而减小器件焊料层的热应力,最终导致键合线的失效。进一步地,针对指定失效模式的IGBT芯片进行不同测试条件下的功率循环实验以验证器件...     

用于电动汽车功率模块热分析的紧凑型热网络模型

由于恶劣的运行环境,IGBT模块成为电动汽车驱动系统最薄弱的环节。功率模块的失效主要由温度因素引发。为了尽可能准确地预测芯片结温,文中提出一种适用于电动汽车功率模块热分析的紧凑型热网络模型。首先在ANSYS/ICEPAK中搭建包含水冷散热系统的功率模块有限元模型。然后,提出一种考虑上下桥臂热耦合的3D紧凑型热网络模型,并详细地叙述热网络模型参数提取的步骤。最后,3D紧凑型热网络模型的仿真结果与有限元仿真模型高度吻合并且实验结果表明,所提出的热网络模型能够准确预测电动汽车中功率模块的结温。与有限元模型相比,所提出的热网络模型减少仿真时间,适用于功率模块的寿命估计和结温在线计算。     

考虑多热源耦合的风电变流器IGBT模块结温评估模型

为了更准确地描述大功率风电机组变流器IGBT模块内并联芯片的结温,提出一种考虑多热源耦合影响的变流器功率模块结温评估改进模型。从实际2 MW双馈风电机组变流器IGBT模块内部结构和材料参数出发,利用有限元方法分析IGBT模块内多芯片的结温分布和稳态热耦合影响。引入等效耦合热阻抗概念,推导功率模块芯片间热阻抗关系矩阵,并建立考虑多芯片热源影响的IGBT模块改进热网络模型。以某H93-2MW双馈风电机组为例,对比分析了不同功率损耗下改进模型的芯片结温计算结果与有限元和常规热网络模型结果。结果表明了考虑多热源耦合影响的风电变流器功率模块内部芯片结温计算的必要性和有效性,且热耦合影响程度与不同的芯片间距密切相关,需重点关注非边缘位置芯片的热分布。     

矿用逆变器IGBT模块键合线多物理场耦合分析

针对传统多物理场耦合分析采用静态功率损耗导致有限元仿真精度低,且现有键合线失效未考虑Diode芯片及其键合线等问题,提出一种结合矿用逆变器工况条件的IGBT模块键合线失效机理分析方法。首先建立FZ800R33KF2C三维模型,其次通过双脉冲仿真与实验验证ANSYS simplorer搭建的特征化IGBT模型动态特性,使用该模型得到在矿用逆变器额定工况下IGBT芯片和Diode芯片瞬时功耗,然后结合矿用逆变器温升实验确定隔爆腔内环境温度参数,最后在ANSYS Workbench下进行热-电-力多物理场耦合仿真,对键合线脱落进行系统性分析。分析表明,在大功率IGBT模块键合线多物理场耦合分析中不能忽略Diode芯片及其键合线。并且在Diode芯片键合线和IGBT芯片键合线共同脱落的情况下,前者脱落对IGBT模块影响更大。     

IGBT模块键合线失效研究

新能源技术的发展对功率变流装置的性能提出了更高的要求,IGBT模块作为变流器的核心器件,其可靠性受到了越来越广泛的重视。现有研究表明,恶劣的工作环境加速了器件的老化和失效,因此,深入研究IGBT模块的老化和失效机理是功率器件应用中需亟待解决的问题。以IGBT模块的键合线为研究对象,在建立IGBT模块电-热-力多场耦合模型的基础上,对正常工作和部分键合线脱落时的温度和剪切应力进行了综合分析,指出剪切力是键合线疲劳和失效的直接原因。最后,对比传统铝键合线模型,采用铜作为键合线材料,可以进一步提高模块的可靠性。本研究为进一步分析键合线疲劳,研究IGBT模块的失效形式和寿命提供了参考。     

新型平板热管的传热性能研究

为了提高普通蒸汽腔平板热管的机械强度和传热性能，提出了一种热端与冷端之间设有液态工质回流柱的新型平板热管，并对以该种平板热管为热扩散基板的集成模块的传热性能进行了实验研究。研究结果表明，在热耗散功率较大时，平板热管基板模块的结壳热阻、管芯至基板间热阻均比纯铜基板模块小，而且其结壳热阻分别比同厚度和同重量的纯铜基板模块的结壳热阻小30％和40％。该结果说明新型平板热管比纯铜基板具有更好的热扩散性能，适合于大功率模块设计     

多芯片组件基板的热效应分析

针对大功率多芯片模块,建立了简化传热模型,利用有限元数值方法,对其热阻和温度场进行了稳态和瞬态分析.模拟结果表明:模块的散热方式以热传导为主.由芯片到外壳底面的热通路为主要散热途径,采用导热性能好的基板是非常有效的散热方案:绝缘层热阻占整个基板热阻的65%;模块设计时要尽量减小功率互连引线的寄生电感和电阻.合理安排功率管芯位置,要求布线尽量短而宽.多个功率芯片要尽量均匀分布于基板上,以此降低结温,避免热集中现象.     

柔直用压接型高压IGBT导通压降演化规律研究

MMC子模块中的高压功率器件绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)在长期运行工况下逐渐发生热老化,最终导致器件失效。因此,研究IGBT的状态监测技术对于MMC的可靠运行具有重要意义。目前的文献压接型IGBT导通压降演化规律研究较少,文中搭建了压接型IGBT功率循环试验平台,并在功率循环试验过程中同时监测得到不同热老化程度下的器件导通压降和门极电流,利用试验得到的结温与门极电流的线性关系将导通压降归一化到同一结温下,从而剥离结温对导通压降的影响。结果表明,导通压降随着热老化程度呈现上升的趋势,变化范围大致在10%以内。最后,将老化失效的两个IGBT解体,发现器件内部物理结构发生变化,芯片表面发现局部烧蚀甚至熔化。     

基于电-热耦合模型的IGBT模块结温计算方法

温度循环下的疲劳累计损伤是IGBT模块失效的主要原因,计算IGBT模块的结温对预测其寿命具有重要意义。为了研究IGBT模块工作过程中结温变化情况,首先通过计算IGBT和FWD的功率损耗建立了IGBT模块电模型,然后在分析IGBT模块热传导方式的基础上建立了IGBT模块热模型,进而基于电模型和热模型建立了IGBT模块的电-热耦合模型,最后以三相桥式逆变器为例对IGBT和FWD的结温进行了仿真分析。结果表明,由于IGBT和FWD处于开关状态,两者的结温波形均呈波动形状,且波动均值经过短时间上升后稳定于一恒定值,所以逆变器用IGBT模块开始工作后经短时间的热量积累最终达到热稳定状态;由于IGBT的开关损耗比FWD大,使得IGBT结温受开关频率的影响较大。     

不同基板的GaN器件集成模块传热分析及热优化

分别对基于3种基板,即印刷电路板(PCB)、覆铜陶瓷板(DBC)及低温共烧陶瓷板(LTCC)的氮化镓(GaN)器件集成模块的传热性能进行对比分析。结果表明,DBC模块的结-空气热阻最低,较高的是LTCC模块,最高是PCB模块。在自然对流情况下,DBC模块的结-空气热阻比PCB模块低约20%,强制对流情况下低约50%。LTCC基板相对于常用PCB基板及DBC陶瓷基板优势不显著。设计制造了基于PCB基板的GaN器件降压转换器集成模块,并对其传热性能进行热仿真及实验研究。根据热仿真模型,分析了热通孔对传热的强化作用及平行布置时器件之间的间距对其传热性能的影响。结果显示通过在PCB基板上打热通孔可显著提高模块的传热性能,从无通孔变为有通孔(通孔面积为10%芯片面积),即可使模块的结-空气热阻降低12%。     

双馈风电变流器IGBT模块功率循环能力评估

为准确评估不同风况下双馈风电机组变流器的可靠性水平,提出一种机侧变流器IGBT模块的功率循环能力评估方法,并研究了风速对功率循环能力的影响。基于器件失效模型,建立机侧变流器IGBT模块的平均失效时间(MTTF)计算模型。结合变流器实时运行参数,建立机侧变流器IGBT模块结温计算模型,并分析湍流风速对结温波动的影响,进而提出基于雨流算法提取随机结温波动信息。根据提取的随机结温波动信息,结合风速统计特性,提出机侧变流器IGBT模块功率循环能力评估模型。最后,以某1.5 MW双馈风电机组机侧变流器IGBT模块为例,分析年平均风速及湍流强度对其功率循环能力的影响。分析结果表明:该变流器IGBT模块的MTTF其随着年平均风速及湍流强度的增大而减小;相比传统评估模型,所建立的评估模型更准确。     

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。     

IGBT薄层电极脱落机理分析与寿命预测方法

芯片表面电极薄层脱落是绝缘栅双极型晶体管(IGBT)封装模块的一种常见失效现象,因此对其失效机理分析与寿命的有效预测是整体器件可靠性评估中的一个研究要点。首先通过仿真分析了芯片表面电极的应力应变随功率循环载荷的变化情况,发现芯片表面铝电极薄层与引线的键合位置附近区域存在应力集中情况,且应力集中的位置与实验中失效样品的断裂位置一致。此外还发现应力集中区仅在起初的短时间内存在一个逐渐减小的塑性应变幅,随后由于材料硬化,塑性屈服点上移,直至失效塑性应变都不再变化,因此可以推测材料的断裂失效是由于稳定后的塑性应变和循环应力综合导致的,鉴于上述分析,提出了一种同时考虑材料硬化和应力疲劳的寿命预测公式,并采用其他两种条件下的实验寿命值评估了此公式的准确性,总体平均误差为1%。