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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

一种IGBT散热器动态响应性能优化数值算法

以绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)可靠性寿命预测研究为背景,该文针对IGBT模块的功率循环提出了一种考虑实时结温反馈的散热器优化设计的数值算法。通过建立功率循环综合热网络模型,将每个功率循环周期等效为全响应和零输入响应,分析结温与热网络参数的数值计算关系,建立实时结温反馈数值算法得到功率循环曲线,从而寻找到功率循环与散热器动态热响应特性的关系,并提出优化方法。最后,以功率循环老化系统的设计为例,优化了老化系统所用散热器,通过实验测试对文中提出的数值仿真模型的有效性和精度进行了验证。     

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。     

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。     

计及焊层疲劳影响的风电变流器IGBT模块热分析及改进热网络模型

针对不同疲劳寿命时期对风电变流器绝缘栅双极型晶闸管(IGBT)模块结温的影响,分析焊层在不同脱落度下的IGBT模块热阻变化规律,并建立考虑热阻变化的改进热网络模型。首先,依据风电机组变流器IGBT模块的结构和材料属性,建立三维有限元热-结构耦合分析模型,对基板焊层和芯片焊层在不同脱落度下IGBT模块结温和热应力的分布规律进行仿真分析。其次,确定不同焊层脱落度下其热阻增量值,并建立IGBT模块改进热网络模型。最后,将三维有限元模型和改进热网络模型的结温计算结果进行对比分析,验证了所提的改进热网络模型的有效性。