温度对压接型IGBT器件内部接触热阻的影响

温度是功率半导体器件备受关注的问题,不仅直接影响功率半导体器件的电气性能,而且还间接影响功率半导体器件的热学和机械特性.压接型IGBT器件内部是电磁场、温度场和结构场的多物理量耦合场,器件内部各组件间的接触热阻是温度场与结构场双向耦合的重要桥梁,也是器件可靠性的重要影响因素.通过单芯片子模组有限元模型分析了各组件间的接触热阻,重点研究了温度对接触热阻的影响,计算了热阻测量前后的接触热阻值,并进行了对比.鉴于目前接触热阻测量方法的局限性,通过测量单个快恢复二极管(FRD)芯片子模组结到壳热阻值与温度的变化关系间接得到接触热阻与温度的关系,并对有限元计算结果进行了验证.     

压接型IGBT器件单芯片子模组功率循环试验仿真

压接型绝缘栅双极型晶体管(IGBT)器件因具有双面散热、短路失效和易于串联等优点,正逐步应用到柔性直流输电等领域.但其在工作过程中的热学、力学特性与传统焊接式IGBT模块相比有很大差异,故存在不同的长期可靠性问题.基于有限元法建立了压接型IGBT器件单芯片子模组多物理场耦合仿真模型,研究了三种功率循环仿真条件下器件的热学和力学特性,并且在功率循环过程中利用金属弹塑性模型来模拟材料的瞬态特性.仿真结果表明,IGBT芯片发射极表面与发射极钼片相接触的边缘是应力集中区域,芯片发射极表面栅极缺口和四周边角处有明显的塑性变形.同时,将仿真结果与实际失效的IGBT芯片进行了对比,进一步验证了仿真模型的有效性和适用性.     

一种基于水冷系统的先进IGBT散热模块设计

鉴于目前IGBT模块功率越来越大,传统风冷散热模块难以满足其散热要求,以磁悬浮列车牵引变流器中的单个IGBT模块为研究对象,设计了一款新型热管嵌入式IGBT水冷散热模组。通过ANSYS?Icepak软件对该冷却系统和设计的水冷模组的压力损失进行仿真分析,研究了增加圆柱形翅片和扁平翅片与不同入口流量对模块性能的影响。结果表明：与传统水冷模组相比,新型热管嵌入式IGBT水冷散热系统使IGBT模块芯片最高温度从81.51℃降低到75.34℃,降低了约7.4%;最大温差从12.81℃降低到9.92℃,进一步提高了IGBT模块的芯片温度均匀性,验证了新型水冷系统具有良好的散热性能,满足IGBT模块的要求,为后续先进的水冷系统设计奠定了基础。     

焊层空洞对IGBT芯片温度的影响

焊层空洞是造成IGBT模块散热不良的主要因素,基于IGBT的七层结构,建立了IGBT模块封装结构的三维有限元模型并对其进行热分析,研究焊层空洞对IGBT芯片温度的影响。对比了有无焊层空洞时IGBT模块的整体温度分布,分析了空洞类型、空洞大小、空洞形状、空洞数量及空洞分布对IGBT芯片温度分布的影响。研究结果表明:芯片焊层空洞对芯片温度的影响较大,衬板焊层空洞对芯片温度的影响较小;贯穿型空洞对芯片温度的影响要大于非贯穿型空洞;单个空洞越大,IGBT芯片温度越高;相同形状的空洞,处于边角位置比处于焊层内部对芯片温度影响大;多个空洞分布越集中,芯片温度越高;焊层缝隙对芯片温度的影响要小于空洞对芯片温度的影响。因此,在封装过程中应避免出现芯片焊层空洞,以提高IGBT的可靠性。     

使杂散电感降低的工业应用功率模块

英飞凌科技公司推出紧凑型IGBT（绝缘栅双极晶体管）模块家族，为各种工业传动装置以及风车、电梯或辅助传动设备、机车与列车用电源及供暖系统传动装置，提供优化型功率转换器系统解决方案。基于创新型封装概念的全新PrimePACK模块，充分发挥了英飞凌新一代IGBT4芯片的优势。在这种创新模块设计中，IGBT芯片距基板紧固点更近，降低了基板与散热器之间的热阻。最高运行温度＋150℃，最低贮存温度．55℃。     

基于IGBT模块热阻的状态评估研究

IGBT模块在退化过程中内部材料的物理属性会发生变化,进而引起模块结壳热阻的变化,因此通过研究结壳热阻的变化情况,可以对IGBT模块的退化程度进行评估。首先研究IGBT模块的结构及热扩散特性,并利用定义法计算出初始结壳热阻,指出模块在退化过程中各层封装材料、物理参数及导热面积的变化会导致结壳热阻的变化;然后,对IGBT模块进行了温度循环老化试验,并在老化过程中测量模块的结壳热阻,研究结壳热阻在老化过程中的变化情况,发现其按指数规律退化,进而建立热阻的指数退化模型;最后,提出一种IGBT模块的模糊状态评估方法,建立了基于热阻的模糊状态评估模型,采用均匀划分的方法以IGBT模块的结壳热阻作为评估参数将模块的退化状态分为7个评估等级,并对老化后的某IGBT模块进行了模糊状态评估。     

为耐用和可靠而设计的4．5kV压接式封装IGBT

介绍了额定电压达4500V、额定电流达2000A的新型压接式封装IGBT(PPI)一在这种新器件的开发期问，特别强调系统制造商易于使用的可选用性。为了便于把压接式封装的IGBT紧固在长的骨架上，其机械设计是精心优化的。即使在骨架上的紧固会发生某些不均匀现象，这种压接式封装的IGBT因其独特的设计，对每个芯片都用单独的压针压紧，因而它们都会发挥其完善的功能。进而．材料的选择也得到优化．以保证在野外也能达到极高的可靠性。在功率循环次数及在故障情况卜运行之间的折衷平衡点亦已被推向新的限界．这里的IGBT和二极管二者的芯片都基于SPT(软穿通)技术。先进的IGBT平面元胞设计与二极管精密的寿命控制工程相结合，这样的芯片就具备了崭新的安今工作区。这就大大便利了系统的设计，使原先使用的夹具或减振器成为过时。     

压力对换流阀用压接型IGBT器件功率损耗的影响

功率损耗一直是功率半导体器件应用时备受关注的问题.压接型绝缘栅双极型晶体管(IGBT)器件靠外部压力使内部各个组件保持电气和机械连接,因此压力直接或间接地影响着压接型IGBT器件的功率损耗.将压接型IGBT器件工作时产生的结温作为耦合变量引入,基于此建立了IGBT器件应用于调制脉宽(PWM)换流设备时的功率损耗计算模型,并详细分析了影响功率损耗的各种因素,包括机械压力、开关频率等.以换流阀用3 300 V/1 500 A压接型IGBT器件为例,采用有限元法研究了压力对压接型IGBT器件功率损耗的影响,重点探讨了器件内部各芯片功率损耗的变化情况.结果表明,增加压力一定程度上可以降低压接型IGBT器件的功率损耗,改善器件内部芯片结温分布不均的问题.     

牵引变流器中IGBT模块的高效热管冷却系统设计

以高功率IGBT模块散热为主题,针对目前传统热管散热器(传统模组)存在的翅片均温性不佳、散热效率较低的问题,设计一款新型的热管分层嵌入式结构的散热器(新型模组),并通过Flotherm软件对在不同风速下其翅片与热源的温度场、模组的压力场及散热器的最大热阻进行了分析,并与传统模组进行了对比验证。结果表明：新型模组能够显著提升翅片的均温性及模组的散热效率,且最大热阻值平均降低了34%。在风速为10m/s时的情况下,IGBT芯片的温度最大值较传统模组降低了16.9℃,进而验证了新型模组的散热可行性,并为热管散热器的设计及改进提供了指导。     

IGBT模块辅助端子的布局和控制

具有扁平外观的SEMiX^TM系列IGBT模块，其辅助端子采用了与其他IGBT模块不同的技术．即辅助端子是通过弹簧接触实现的。本文介绍了SEMiX^TM系列IGBT模块辅助端子布局的设计方法．与焊接引脚相比较，分析了螺旋式弹簧的开关特性，研究了门射极箝位二极管放在IGBT芯片旁不同位置时的影响．讨论了辅助发射极端子位置的变化，验证了这种变化对开关损耗和短路性能的影响。这些结论可用于SEMiX^TM 2和SEMiX^TM 4型IGBT模块，二者外观分别小于和大于SEMiX^TM 3型IGBT模块，但它们都是基于SEMiX技术平台的。     

PrimePACK推出全新紧凑型IGBT模块

PrimePACK全新紧凑型IGBT(绝缘栅双极晶体管)模块采用创新型封装和创新设计,IGBT芯片距基板紧固点更近,降低了基板与散热器之间的热阻。与传统模块相比,能够使内部杂散电感降低60%左右。最高运行温度从 125°C提高到 150°C,最小贮存温度从先前的-40°C降低至-55°C。该全新IGB     

为耐用和可靠而设计的4．5kV压接式封装IGBT

介绍了额定电压达4500V、额定电流达2000A的新型压接式封装IGBT(PPI)。在这种新器件的开发期间,特别强调系统制造商易于使用的可选用性。为了便于把压接式封装的IGBT紧固在长的骨架上,其机械设计是精心优化的。即使在骨架上的紧固会发生某些不均匀现象,这种压接式封装的IGBT由于其独特的设计,对每个芯片都用单独的压针压紧,因而它们都会发挥其完善的功能。进而,材料的选择也得到优化,以保证在野外也能达到极高的可靠性。在功率循环次数及在故障情况下运行之间的折中平衡点亦已被推向新的限界。这里的IGBT和二极管二者的芯片都是基于SPT(软穿通)技术。先进的IGBT平面元胞设计同二极管精密的寿命控制工程相结合,这样的芯片就具备了崭新的安全工作区。这就大大便利了系统设计,使原先使用的夹具或减振器成为过时。     

IGBT芯片参数对瞬态均流特性的影响

IGBT模块一般采用多芯片并联的方式进行封装,但由于模块参数、驱动控制等差异,模块内部存在电流分布不均衡的问题。相比于稳态电流分布,瞬态电流分布的影响因素众多,是研究的热点。针对IGBT的芯片参数开展了模块内部各支路瞬态电流分布特性的研究。通过建立IGBT芯片模型及芯片并联的瞬态电路分析模型,计算单一芯片参数与多种芯片参数作用下IGBT模块的瞬态电流分布,提出新的适用于芯片支路瞬态均流分析的评价指标,得到了IGBT芯片参数对并联瞬态均流影响的规律。研究结果表明阈值电压、跨导和栅极电阻是对瞬态均流影响最大的3个芯片参数,且需要关注阈值电压与跨导的共同影响。研究结果对IGBT的芯片筛选及并联后的瞬态均流计算具有指导意义。     

热循环能力的大突破适用于汽车工业的无焊接压接式模块

当一些电力电子产品供应商仍在改进标准模块中的焊接连接时，无焊接压接触点技术因其高功率循环能力已成为最顶级的电力电子模块解决方案。赛米控的新SKiM六封装IGBT模块系列将无底板的压接模块设计带入更高的层次。稳健的高功率模块设计使这些模块成为混合动力电动汽车和其它高端应用的理想选择。与带底板且内部主端子采用焊接方式的模块相比，无底板且采用无焊接压接技术的SKiM的温度循环能力提升了5倍。     

IGBT二维温度分布及热稳定因子的研究

在已建立的IGBT电学模型基础上,通过解热传导方程,建立了其在热稳定状态下的二维温度分布模型.通过该模型,分析了IGBT在热稳定条件下的的临界条件,以及热稳定因子与温度、热阻、栅压、P阱掺杂浓度的关系.模型结果与二维数值模拟软件MEDICI的模拟结果基本一致.此模型对IGBT工作情况和工艺设计具有一定的参考价值.     

激光二极管合束模块整体散热热阻分析

半导体激光器散热是在热源至热沉之间尽可能提供一条低的热阻通路。其主要目的是降低外热阻(即激光器芯片至散热空间的热阻),使发热激光器芯片与被冷却表面之间保持一个低的温度梯度和良好的热接触。对于接触热阻冷却方法,人们往往根据自身的研究对象,用实验方法来解决接触热阻的问题。通过对单管合束模块整体热阻逐步进行分析,通过软件模拟和结合频率红移法对激光二极管热阻进行测量,得出单管合束模块整体散热热阻小于0.25 ℃/W。此散热模块可以满足百瓦级半导体激光器的散热要求。     

压接型IGBT器件升温曲线测量方法

利用热网络模型和有限元仿真分析了压接型IGBT器件升降温曲线不具有等效性的原因,研究了压接型IGBT器件升温曲线的测量方法,对比了大电流通态压降(V_CE)法和大电流阈值电压(V_GE,th)法的测量原理,对压接型器件的适用性和测量准确度等。仿真结果表明,接触热阻在升温和降温阶段受压力的影响出现了不同的变化趋势,导致了升降温曲线的非等效性。实验结果表明,大电流V_GE,th法有效降低了压力对测量带来的影响,测量更为准确,测量误差基本在1 K以内,低于大电流V_CE法,为压接型IGBT器件进一步的多物理场耦合研究和老化监测提供了参考。此外,实验结果还表明压接型IGBT器件在升降温过程中,压力变化越大,升降温曲线的差异越明显。     

IGBT模块焊料层空洞对模块温度影响的研究

介绍了IGBT模块的封装工艺,分析真空回流焊接过程中焊料层空洞的形成机理,并使用SAM方法检测并测量空洞;接着通过有限元模拟方法对模块进行热分析,对比了焊料层有、无空洞情况下模块的整体温度,具体研究焊料层空洞尺寸、空洞分布位置和焊料层厚度对芯片温度分布的影响。     

压接式IGBT芯片的研制

基于现有工艺平台开发了一款具有自主知识产权的3 300V/50A非穿通型(NPT)压接式IGBT芯片。该芯片元胞采用平面型结构,元胞注入采用自对准工艺,背发射极采用透明集电极技术。为适用于压接封装,避免压力对MOS沟道的影响,在有源区淀积第二层厚金属铝,并在JFET区上方用场氧垫高。终端采用场环+多级场板复合结构,结合横向的场终止技术,实现高效率的终端结构设计。将此设计进行流片验证,测试结果显示击穿电压4 200V以上,饱和压降3.75V,阈值电压7.1V,实测值和仿真值相差不大。将压接式芯片封装成3 300V/600A压接式模块,饱和压降较芯片级偏小0.05V。     

IGBT模块压接技术研究

介绍了IGBT模块压接技术的关键技术与难题,提出了IGBT模块压接设计方法,包括功率集成、系统集成、新型功率互连及低阻散热设计。