多芯并联封装IGBT缺陷与失效先导判据

器件由于内部芯片失效而产生IGBT故障,且检测保护困难,大多只能在系统外特性上加以防护,本体还是会受较大损害。高压大功率IGBT模块内部由多芯片和大量键合线构成,器件功能失效很大部分是由铝键合线脱落或者断裂引起的。提早发现或辨知此类缺陷或失效导致的电气特性变化,是构建IGBT故障的先导判据条件,有利于规避潜在故障风险,提高IGBT利用可靠性。针对英飞凌6.5kV多芯片并联封装IGBT模块的布局结构和连接特点,分析连接寄生参数差异对芯片工作状态的影响。以模块内部芯片间键合线的杂散电感和栅极电容参数为研究对象,利用最小二乘法参数辨识机制,构建一种区分模块缺陷与失效的先导判据。研究IGBT模块和元胞栅极等效电路,分析键合线故障导致的电路参数和工作特性变化,通过采样栅极电压与电流数据,利用最小二乘法参数估计得到故障类型及杂散参数数值,通过仿真与实验验证了该方法的有效性。     

计及杂散电感的多芯片IGBT模块损耗计算

针对绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块封装杂散参数影响内部多芯片并联电流和损耗分布的问题,提出计及杂散电感影响的IGBT模块内部开关损耗计算方法。首先,基于功率模块内部封装结构建立了计及封装杂散电感影响的IGBT等效电路模型,理论推导和分析封装杂散电感对IGBT动态特性的影响。其次,基于开通折线模型中并联芯片间电流变化率与损耗分布对应关系,理论推导了杂散电感分布参数与各支路开通损耗所占比例之间的函数关系,提出计及杂散电感影响的IGBT模块内部开关损耗计算方法。最后,仿真并实验验证了开通过程中IGBT模块内部电流分布规律,测得在不同负载条件下IGBT模块下桥臂各支路损耗并与理论计算结果进行了比较,验证了所提损耗计算方法的有效性。结果表明,IGBT模块下桥臂各并联芯片开通过程中存在明显不均流现象,导致损耗分布存在差异。     

IGBT模块通态电阻与键合线故障关系研究

绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块通过键合引线实现与外电路的电气连接,并联的铝键合线若发生脱落现象,会导致模块的等效通态电阻增大,通过对电阻的计算,可直接对模块进行故障诊断。通过实验得出IGBT模块通态电压与电流之间的关系曲线,计算出健康与键合线故障状态下的IGBT模块等效通态电阻的变化,并分析得出键合线脱落根数超过总键合线数的40%左右时,IGBT模块发生失效故障。     

母排杂散电感对IGBT模块功率端子不均流影响

IHM-B封装绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块有3组功率端子,其内部可等效为3组IGBT并联。母排杂散电感的分布对流进该模块功率端子电流的不均流程度有很大影响。以一种半桥式结构的母排作为研究对象,建立影响IHM-B封装的IGBT模块功率端子间不均流程度杂散电感的等效数学模型。通过Q3D有限元仿真软件提取出该母排的自感与互感。搭建双脉冲测试电路,分别提取出在开通瞬态某一时刻流进该IGBT模块3组端子的电流变化率的实验数据,进而分析母排杂散电感对IGBT模块功率端子不均流的影响。实验分析结果证明,通过改变母排结构以减小等效杂散电感的差异,能很好地消除功率端子不均流现象。     

高压直流断路器组件内IGBT关断瞬态电压过冲的关键影响参数

基于绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor, IGBT)的全控型混合式高压直流断路器是多端柔性高压直流输电工程的关键设备,其半导体组件内IGBT关断瞬态电压过冲是工程中需重点关注的问题,该文以典型的IGBT全桥拓扑结构的半导体组件为例,研究了半导体组件内部的母排杂散电感对IGBT关断瞬态电压过冲的影响,揭示了母排杂散电感对IGBT关断瞬态电压过冲的影响机理,获得了IGBT关断瞬态电压过冲关于组件内不同母排中杂散电感的灵敏度;在研究高压直流断路器中IGBT关断机理的基础上获得了包括IGBT器件本身的物理特性参数在内的影响关断瞬态电压过冲的关键参数及其影响规律,最后通过试验验证了理论分析的正确性。研究结果表明:组件内电容支路杂散电感对IGBT关断瞬态电压影响最大,其应作为重点优化对象;除杂散电感外,IGBT的栅极氧化层电容、关断过程集射极电压快速上升时对应的拐点电压以及栅极驱动电阻为影响IGBT关断瞬态电压的关键参数,且均与关断瞬态电压呈负相关性。该研究结论可为半导体组件内部杂散电感的控制、栅极驱动电阻的选择以及IGBT器件的选型或定制提供指导。     

短路电流作为绝缘栅双极型晶体管模块键合线老化特征量的机理研究

绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)是功率变流器中故障率最高的元器件,键合线老化脱落是其中最常见的一种失效形式。文中研究短路电流作为IGBT模块键合线老化特征量的机理。首先简述IGBT模块键合线老化对应的内部寄生参数与短路电流的定性关系,建立包含键合线和铝金属基板的发射极等效电阻网络模型。依据键合线分布情况,分析键合线老化对电阻网络的影响,进而分析对短路电流的影响关系,最后对不同键合线老化状态下的IGBT模块的短路电流进行实验测量和分析。分析结果表明,等效电阻网络模型能很好地反映键合线分布情况与老化特征量之间的对应关系,实验结果与理论分析基本一致,验证了短路电流作为IGBT模块键合线老化特征量机理研究的正确性。     

基于半桥模块的母排设计与并联IGBT均流分析

针对大容量储能变频器的并联绝缘栅双极型晶体管(IGBT)均流问题,首先建立半桥模块功率回路杂散参数与不均流度的数学模型,分析功率回路杂散参数对并联IGBT均流的影响.然后提出一种基于半桥模块的母排设计方案,借助Maxwell,PSIM仿真工具提取母排杂散参数并迭代优化.最终搭建基于半桥模块的4并联IGBT双脉冲试验台.试验结果表明,并联IGBT功率回路杂散电感、杂散电阻偏差值与不均流度正相关,通过对母排多次迭代优化设计,最终降低了并联IGBT动态和静态不均流度,验证了功率回路数学模型的正确性.     

压接式IGBT模块的动态特性测试平台设计及杂散参数提取

压接式IGBT模块具有散热性能好、杂散电感小、短路失效直通等特点,在柔性直流输电等大容量电力电子变换系统中具有极为重要的应用潜能。然而,目前学术界和工业界尚未很好地理解压接式IGBT模块的动态开关特性,严重制约了其推广应用。从压接式IGBT的封装结构和电气特性出发,基于双脉冲测试原理,设计并搭建压接式IGBT模块的动态开关特性测试平台。采用Ansoft Q3D软件对测试平台的杂散参数进行仿真,分析杂散参数的分布特征、影响与提取方法,并通过实验进行验证,揭示叠层母排技术与吸收电容对器件关断电压尖峰的抑制作用,低寄生电感总和验证了平台设计方案的合理性。     

散热底板对IGBT模块功率循环老化寿命的影响

功率半导体模块通常采用减小结壳热阻的方式来降低工作结温,集成Pin-Fin基板代替平板基板是一种有效的选择。两种封装结构的热阻抗特性不同,可能对其失效机理及应用寿命产生影响。针对平板基板和集成Pin-Fin基板两种常见车规级IGBT模块进行了相同热力测试条件（结温差100 K,最高结温150℃）下的功率循环试验,结果表明,散热更强的Pin-Fin模块功率循环寿命低于平板模块。失效分析显示,两者失效模式均为键合线脱附,但Pin-Fin模块的键合失效点集中在芯片中心区域,而平板模块的键合失效点则较为分散。基于电-热-力耦合分析方法,建立功率循环试验的有限元仿真模型,结果表明,Pin-Fin模块的芯片温变梯度更大,芯片中心区域键合点温度更高,使芯片中心区域的键合点塑性变形更大,导致其寿命较平板模块更短,与试验结果吻合。     

基于键合线等效电阻的IGBT模块老化失效研究

已有研究表明,键合线老化脱落失效是影响绝缘栅双极型晶体管(IGBT)可靠性的主要因素之一。以此为研究背景,首先根据IGBT模块内部键合线的结构布局与物理特性,分析键合线等效电阻与关断暂态波形的关系,建立键合线等效电阻与关断过程中密勒平台电压以及集电极电流的数学关系式,通过实验测量获得键合线等效电阻,最后分别对键合线等效电阻与键合线断裂数的关系进行定性与定量的分析,得出键合线等效电阻会随键合线断裂数的增加同方向变化,这也证明了本文所提方法的可行性和正确性。     

封装技术对功率半导体模块性能的影响

不同封装技术对功率半导体模块的电气性能、散热性能和可靠性有不同的影响。分析了模块寄生电感对绝缘栅双极型晶体管(IGBT)开关特性和开关损耗的影响,结合优化的门极开通和关断电阻,将模块的寄生电感从20 nH降低至10 nH可以使IGBT的开关损耗减小20%～30%。通过热阻的方法分析了IGBT模块散热系统中不同材料对IGBT散热的影响,其中导热硅脂和模块陶瓷衬底对模块的散热影响较大,从导热介质、衬底材料、芯片大小和间距及基板结构方面阐述了优化模块散热性能的方法。不同材料的热膨胀系数不匹配是导致模块老化失效的主要原因,阐述了绑定线连接、焊接层疲劳的机理和现象,介绍了提高模块封装可靠性和寿命的一些新材料和新工艺。     

基于键合线压降的IGBT模块内部缺陷监测研究

为了准确地评估出IGBT模块的健康水平,及时发现并更换存在缺陷的IGBT模块,提高功率变流器的可靠性,提出了一种基于键合线压降的IGBT模块内部缺陷诊断方法。通过监测IGBT模块内部单个芯片等效键合线压降的变化,辨识出IGBT模块内键合线的老化状态,进而判断出IGBT模块的健康水平。实验结果表明,基于键合线压降的IGBT模块内部缺陷诊断方法能准确地辨识出模块内键合线的老化过程,与采用监测门极信号辨识模块老化状态的方法相比,所提方法不仅能辨识出单个芯片全部键合线脱落的情况,而且能辨识出部分键合线老化的情况,在辨识精度上有了很大的提高。该方法为确定合适的时机对变流器进行维护、降低系统的维护成本提供了理论依据。     

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。     

碳化硅功率器件封装关键技术综述及展望

碳化硅(silicon carbide,SiC)功率器件作为一种宽禁带器件,具有耐高压、高温,导通电阻低,开关速度快等优点。如何充分发挥碳化硅器件的这些优势性能则给封装技术带来了新的挑战:传统封装杂散电感参数较大,难以匹配器件的快速开关特性;器件高温工作时,封装可靠性降低;以及模块的多功能集成封装与高功率密度需求等。针对上述挑战,论文分析传统封装结构中杂散电感参数大的根本原因,并对国内外的现有低寄生电感封装方式进行分类对比;罗列比较现有提高封装高温可靠性的材料和制作工艺,如芯片连接材料与技术;最后,讨论现有多功能集成封装方法,介绍多种先进散热方法。在前面综述的基础上,结合电力电子的发展趋势,对SiC器件封装技术进行归纳和展望。     

IGBT模块材料选型的仿真研究

作为电力电子变换器的核心器件,IGBT功率模块的可靠性是目前学术界和工业界关注的重点。本文借助有限元分析软件,根据IGBT模块的实际结构,构建了IGBT模块的电-热-力仿真模型。针对目前IGBT模块键合线失效的难题,研究了不同键合线材料与表面金属化层材料的选型对模块温度云图及应力云图的影响。仿真结果表明键合线材料的选型与模块内部的温度分布具有较强的相关性,金属化层材料的选型与模块内部的应力分布具有较强的相关性。因此,通过合理选择模块表面金属化层与键合线材料类型能极大程度降低模块内部的温度和应力,进而降低键合线失效的风险,提高模块的可靠性。     

T型三电平IGBT驱动的优化设计与测试

针对所研制的T型三电平绝缘栅双极型晶闸管(IGBT)驱动装置,研究了门极驱动电阻的计算、模块寄生参数的测算及寄生参数对测试结果的影响,进一步研究了双脉冲测试中尖峰电压不对称的原因并提出解决途径。在双脉冲测试平台上,通过测试IGBT模块接线端子间的电压及流过它们的电流在第二个脉冲关断时刻的波形,利用测定的电压峰值和电流变化率,计算出IGBT模块内部寄生的杂散电感大小。结果表明,双脉冲测试中尖峰电压不对称的现象是由IGBT模块内部引线造成的杂散电感严重不对称造成的。此处介绍的测试方法为检测驱动装置、调整驱动参数和优化测试结果提供了良好的依据。     

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。     

压接式IGBT动态测试平台杂散电感的提取（英文）

压接式IGBT器件动态特性测试平台的杂散电感对于开关特性影响很大,准确提取测试回路中的杂散电感对于分析器件的开关特性非常关键。由于换流回路中存在二极管以及电阻,传统的杂散电感提取方法在提取杂散电感的过程中忽略了这些非线性电阻的影响,从而影响了计算结果的准确性。通过假设IGBT关断和下一个开通瞬态过程中,直流母线电压以及负载电流不变,提出同时采用关断和开通瞬态的电流、电压波形来提取杂散电感。这种方法消除了回路中非线性电阻的影响。为了验证这种方法的准确性,用Synopsis Saber软件进行了电路仿真分析;同时,搭建了压接式IGBT动态特性测试平台,在不同电压、电流等级条件下进行了开关特性测试以及杂散电感提取。仿真和实验结果验证了所提方法的正确性。     

压接型IGBT器件内部杂散电感差异对瞬态电流分布影响规律研究

压接型IGBT器件内部多颗芯片的并联连接是提高其电流等级的重要手段。然而,IGBT芯片之间的瞬态电流不均衡是限制其电流提升的主要原因之一。研究压接型IGBT器件内部的瞬态电流分布规律对于规模化IGBT并联封装设计具有重要意义。该文首先通过有限元软件提取了压接型IGBT器件内部的栅极、集电极和发射极的杂散电感,得到三个杂散电感随IGBT芯片不同位置的变化规律;其次对三个杂散电感差异下的电流分布进行了理论分析,发现电流分布主要受到功率回路和驱动回路的公共支路上杂散电感的影响;同时分别对开通和关断过程中IGBT芯片内部的载流子变化过程进行分析,发现发射极杂散电感差异主要影响开通过程的电流不均衡;然后针对三个杂散电感差异分别进行电路仿真,得到杂散电感差异对电流分布的影响规律,仿真结果验证了理论分析的有效性;最后建立了两芯片的并联均流双脉冲实验平台,平台能够调节两支路之间的杂散电感差异,实验结果进一步验证了该文理论分析的有效性。     

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。