氮化镓功率器件/模块封装技术研究进展EI北大核心CSCD

氮化镓(Ga N)作为典型的宽禁带半导体材料,具有高耐温、高耐击穿电压以及高电子迁移速率的优势,封装技术对于充分发挥Ga N的以上优势并保障工作可靠性十分关键。文中首先对比分析Si基、Si C基和Ga N基器件/模块封装的异同,随后从封装杂散电感、封装散热设计和封装连接可靠性3个方面,分别介绍其带来的问题以及解决方案,讨论目前研究可能存在的不足。基于综述分析,最后提出未来Ga N功率器件/模块封装技术亟待解决的问题以及研究展望。     

基于多物理场仿真的平面封装SiC模块长寿命设计

碳化硅(silicon carbide,SiC)功率模块热流密度剧增,将严重影响SiC模块长期工作的可靠性。这是因为多种封装材料与芯片之间热膨胀系数差异显著,以及高热流密度带来的高温变梯度会产生显著热应力和应变。尤其对于平面型封装结构的SiC模块来说,其热失配应力效应更加显著,极易造成连接层的疲劳失效。因此,亟需仿真并优化SiC模块的应力和应变分布,提高其工作寿命。该文运用多物理场耦合的有限元仿真方法,首先研究烧结银层和缓冲层对平面封装SiC模块中多层烧结银互连温度和应力的影响规律;通过响应面优化方法同时对多个变量进行优化设计,实现降低芯片和烧结银互连的温度和应力;根据修正的Coffin-Manson方程实现对烧结银平面封装SiC模块的疲劳寿命预测,验证了封装结构应力优化可有效延长SiC模块寿命的设想。     

纳米银烧结压接封装IGBT的长期可靠性研究

高压大功率压接型绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistors,IGBT)器件是柔性直流输电系统大容量换流阀的关键部件,其可靠性直接影响电力装备和输电系统的安全稳定运行。压接结构导致IGBT器件组件界面间电热接触性能不佳,研究人员利用纳米银焊膏开发出烧结封装IGBT以期克服对应问题,但其长期可靠性尚未得到验证。该文以国产3.3k V/50A单芯片银烧结压接封装IGBT器件为研究对象,建立直流加速老化实验平台以考核银烧结封装对国产压接IGBT器件的长期可靠性影响。然后,开展国产压接封装IGBT的功率循环加速老化实验,分析烧结封装IGBT器件的失效结果并与全压力封装IGBT器件实验结果进行对比。最后,分析烧结封装IGBT纳米银焊料熔融的原因并探究IGBT器件失效瞬间导通电压急剧上升的原因,获取银烧结压接封装IGBT器件的性能优势及潜在缺陷。实验结果表明,银烧结封装可以降低压接型IGBT器件的导通电压和通态损耗,减缓IGBT芯片与发射极钼层间的接触磨损,提升器件使用寿命。     

SiC、Si、混合功率模块封装对比评估与失效分析

随着SiC器件在新能源发电、电动汽车等领域的快速发展,对定制化、高可靠SiC功率模块的需求日益迫切。然而,现有SiC功率模块大多沿用Si模块的封装技术,存在寄生电感大等问题,无法适应SiC器件的高速开关能力,难以充分发挥SiC器件的优越性能。该文梳理了功率模块的材料选型准则,以及封装工艺方法,给出了自主封装功率模块的测试流程。针对全Si、混合、全SiC功率模块,基于相同的封装技术和测试方法,对比研究了3种功率模块的动态性能和温敏特性,为不同应用需求下的器件选型提供参考。针对全SiC半桥功率模块,提出了开关损耗的数学模型,并利用实验结果验证了其有效性。此外,结合功率模块的大量故障案例建立了数学模型,分析封装失效的机理,为下一代SiC功率模块的封装集成研究提供了有益的经验和思路。     

不同封装形式压接型IGBT器件的电-热应力研究

基于多物理场建模对比分析全压接和银烧结封装压接型IGBT器件的电-热应力。首先根据全压接和银烧结封装压接型IGBT的实际结构和材料属性,建立3.3 kV/50 A压接型IGBT器件的电-热-力多耦合场有限元模型;其次仿真分析额定工况下2种封装IGBT器件的电-热性能,并通过实验平台验证所建模型的合理性;然后研究了3.3 kV/1 500 A多芯片压接型IGBT模块的电-热应力,并探究了不同封装压接型IGBT器件电-热应力存在差异的原因;最后比较了2种封装压接型IGBT器件内部的电-热应力随夹具压力和导通电流变化的规律。结果表明银烧结封装降低了压接型IGBT器件的导通压降和结温,提升了器件散热能力;但银烧结封装也增大了IGBT芯片表面的机械应力,应力增大对IGBT器件疲劳失效的影响亟需实验验证。     

双面散热SiC功率模块的可靠性分析和寿命评估

双面散热(double-sided cooling,DSC)封装能大幅降低封装寄生电感和结壳热阻,提升电气装备的功率密度,是SiC功率模块的发展趋势。然而,DSC SiC功率模块的失效机理不明、寿命模型缺失,成为制约其商业化应用的关键瓶颈,亟待技术突破。传统加速老化实验方法的成本较高、耗时较长,不利于产品的快速迭代升级。针对DSC SiC功率模块的可靠性研究,文中提出一种基于有限元的分析方法,基于材料的疲劳老化模型及功率模块的失效判据,建立DSC SiC模块的寿命模型。基于大量功率模块的寿命测试结果,验证了有限元模型的可行性和有效性,相对误差小于6%。此外,详细分析SiC和Si功率模块焊层的应力和蠕变规律,建立不同封装功率模块的寿命模型。结果表明:相对于单面散热封装,DSC封装功率模块的寿命提升一倍。采用相同封装,SiC功率模块的寿命是Si功率模块寿命的30%左右。此外,还详细分析了不同封装材料对DSC SiC功率模块寿命的影响规律。为下一代DSC SiC功率模块的研发与应用,提供有益的参考。     

电力电子模块封装的革命——无绑定线、焊接和导热硅脂的模块

为了有效地提高功率模块的散热,采用银烧结连接技术,实现无绑定线连接的封装,这就是SKiN技术。本文详细介绍了这一技术,进行了测试对比,证明是一种无比优越的封装技术。     

高压功率模块封装绝缘的可靠性研究综述

随着高压功率模块在直流输电、高速铁路和新能源发电等领域的普及和应用,高压功率模块的可靠性问题将越来越突出。该文阐述高压功率模块封装结构、绝缘材料、放电检测、失效机理以及可靠性改进等方面研究的最新进展。首先,针对现有的高压功率模块封装结构,分析广泛应用的高压硅基IGBT和SiC MOSFET模块的封装结构,以及高压功率模块封装绝缘材料的类型与特性。随后,评述高压功率模块封装绝缘的老化和失效机理以及现有的局部放电评估标准和测量方法。此外,总结高压功率模块封装绝缘可靠性改进的方法。在综述的基础上,结合高压功率模块小型化、集成化、耐高温化的发展趋势,指出高压功率模块封装绝缘的主要威胁、挑战和发展趋势。     

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。     

多芯片并联功率模块低感低结温封装设计

相较于单个硅绝缘栅双极型晶体管(Si IGBT)芯片,碳化硅(SiC)芯片的载流量较小,因此对于同功率等级的功率模块,需要并联更多的芯片。然而,芯片数量的增多会增大模块失效的风险,因此需要一种低寄生电感低结温的封装设计,来提高多芯片并联SiC模块的可靠性。这里通过对多芯片布局以及垫片位置分布的研究,设计出一款低寄生电感,低结温的多芯片并联功率模块结构。最终基于实验和多物理场仿真软件COMSOL对该封装结构进行验证,实验及仿真结果表明所设计的多芯片并联SiC模块满足低感、低结温的设计目标。     

Thermomechanical Reliability of Low-Temperature Sintered Silver Die Attached SiC Power Device Assembly

A thermomechanical reliability study was conducted on a low-temperature sintered silver die attached SiC power device assembly. The silver die attachment was formed by sintering nanoscale silver paste in air at 300 degC to form a strong bond between silver- or gold-coated direct-bond-copper substrates and silver-metallized SiC Schottky diodes. Using the 50% drop in the die-shear strength as the failure criterion, an accelerated thermal cycling experiment between 50 degC and 250 degC showed that the silver die attachment can survive more than 4000 cycles, indicating its high thermomechanical reliability at the interested temperature range. Established mainly by scanning electron microscopy/energy-dispersive spectroscopy, the drop of the die-shear strength during the thermal cycling was attributed to the pile-up of creeping dislocations to form microcavities at the grain boundaries of the sintered silver     

IGBT模块封装工艺的研究

随着能源技术的发展,电力电子器件日益受到人们的关注,绝缘栅双极型晶体管(insulated-gate bipolar transistor,IGBT)作为功率半导体的主流器件在能源领域得到了广泛应用。目前IGBT模块已经在电动汽车、高速铁路以及电力设备等领域发挥着不可替代的作用。IGBT模块的封装作为一个新兴产业越来越受到人们的关注。以IGBT模块的封装工艺为研究对象,确定模块封装两次焊接的顺序,选择两次焊接的焊料,确定焊接温度及回流温度曲线。最终焊接效果良好,有效地提高了IGBT模块封装的工艺水平。     

基于SiC MOSFET的多芯片并联功率模块不均流研究

针对多芯片功率模块MCPMs(multi-chip power modules)从功率模块布局设计角度对碳化硅SiC(silicon carbide) MOSFET的并联不均流进行了研究。理论分析了造成SiC MOSFET并联不均流的原因,在忽略器件自身差异的情况下,重点分析了非对称布局对功率管并联不均流的影响。在此基础之上,以集成化大功率固态功率控制器SSPC(solid-state power controller)为背景,提出了3种适用于大功率SSPC集成功率模块的非对称布局,分别对3种布局的不均流电流进行了理论分析,并利用Ansoft Q3D提取寄生参数在Saber中对模块的动态开关过程进行仿真。仿真结果表明,通过合理的布局可以减小非对称布局引起的寄生电感不对称对SiC MOSFET并联不均流造成的影响。     

碳化硅MOSFET电热耦合模型及分析

为在Matlab/Simulink环境下准确预测碳化硅Si C(silicon carbide)功率器件在实际工况下的结温变化,针对Si C MOSFET器件提出了一种基于时变温度反馈的电热耦合模型建模方法。该方法能更好地反映Si C MOSFET在导通和开关过程中的性能特点,模型从器件物理分析和工作机理出发,将功率损耗和热网络模块引入建模,实时反馈器件结温和更新温度相关参数。采用CREE C2M0160120D Si C MOSFET器件进行测试,根据制造商数据手册和测试实验中提取,仿真结果证实了该建模方法的正确性,为器件的寿命预测和可靠性评估提供了研究基础。     

功率模块的烧结技术——良好设计的封装

诸如汽车、风力发电、太阳能发电和标准工业驱动器等的大功率应用要求功率模块满足高可靠性、耐热性以及电气坚固性等需求。通过应用最先进的封装技术,如无焊接的弹簧压接以及烧结技术,可以满足这些要求。本文对烧结技术作了分析介绍。     

全碳化硅大功率直流电源关键技术研究

碳化硅SiC(silicon carbide)功率器件的耐压、频率和损耗等特性均优于硅(Si)器件,然而SiC器件抗冲击能力差、电磁干扰大,且SiC器件对整个功率变换系统的贡献尚缺乏分析验证,因此,采用全SiC器件研制高性能的大功率直流电源具有一定挑战.首先针对SiC器件抗冲击能力差的问题,引入嵌入式保护策略,应对直流...     

集成电源是电源技术发展的必由之路

本文指出了集成电源是电源技术发展的必然方向，目前混合封装技术是集成电源模块的主流方式，阐述了混合封装技术的若干关键技术问题和发展方向，最后介绍了若干基于混合封装技术的集成电源模块。     

用于海上风电场并网的多模块变压器耦合型VSC-HVDC技术

给出了海上风电场并网系统结构,提出了一种新型的多模块变压器耦合型VSC-HVDC系统,各模块交流输入端通过多绕组变压器进行相互隔离,直流输出端由多个功率模块串联构成,通过灵活地增减模块数目,以获得不同的直流电压,各功率模块可以独立控制;建立了VSC-HVDC在两相同步旋转坐标系下的数学模型;研究了VSC-HVDC的基本...     

Active thermal control of power electronic modules

Active thermal control techniques make it feasible to regulate the steady state and transient thermal-mechanical stress in power electronic modules for applications such as motor drives. Online junction temperature estimation and manipulation of the switching frequency and current limit to regulate the losses are used to prevent overtemperature and power cycling failures in insulated gate bipolar transistor (IGBT) power modules. The techniques developed in this work are used to actively control the junction temperature of the power module. This control strategy improves power module reliability and increases utilization of the silicon thermal capacity by providing sustained operation at maximum attainable performance limits.