高压大功率器件用高温栅偏测试装置研制

为准确评估硅IGBT和碳化硅MOSFET等高压大功率器件不同电应力及热应力条件下的栅极可靠性,研制了实时测量皮安级栅极漏电流的高温栅偏（high temperature gate bias,HTGB）测试装置。此外,该测试装置具备阈值电压在线监测功能,可以更好地监测被测器件的状态以进行可靠性评估和失效分析。为初步验证测试装置的各项功能和可靠性,运用该测试装置对商用IGBT器件在相同温度应力不同电应力条件下进行分组测试。初步测试结果表明老化初期漏电流逐渐降低,最终漏电流大小与电压应力有良好的正相关性,栅偏电压越大,漏电流越大。该测试装置实现了碳化硅MOSFET器件和硅IGBT器件对高温栅偏的测试需求且适用于各种类型的封装。     

复杂应力条件下 MEMS 加速度传感器可靠性分析

针对 MEMS 加速度传感器在复杂应力条件下潜在的疲劳失效与断裂失效问题,提出了一种基于全概率公式的可靠性 评估模型,完成了器件在振动环境、冲击环境以及振动-冲击耦合环境下的可靠性建模。 模型包含 Wiener 过程和齐次泊松随机 过程,分别描述器件在振动环境中的疲劳损伤以及器件遭受的随机冲击,进一步考虑了随机冲击的幅值大小对器件退化率的影 响。 通过器件在冲击应力下产生的疲劳损伤突增量,反映多失效模式间的相关性。 对比分析了振动-冲击相互独立与相互耦合 作用的可靠性模型,结果表明,振动-冲击相互耦合作用的可靠性模型评估结果更具有指导意义。     

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...     

基于功率器件的3L-NPC逆变器失效机理研究

功率器件是导致逆变器运行期间失效的重要因素,因此研究功率器件对逆变器失效机理的影响尤为重要.首先建立了含杂散电感的三电平中点箝位(3L-NPC)逆变器拓扑模型.其次从含有杂散电感的逆变器拓扑角度研究其功率器件在开关瞬态过程的失效机理.然后在研究的基础上提出了一种受功率器件瞬态功率和结温影响的3L-NPC逆变器系统安全工作区.结果表明,该安全工作区更符合实际工况,对分析逆变器失效机理具有重要意义.最后,基于相关测试平台验证了理想和实际条件下逆变器功率器件的开关特性.     

基于多层级模拟的压接型IGBT器件短路失效机理分析EI北大核心CSCD

压接型绝缘栅双极晶体管(press pack insulated gate bipolar transistor,PP-IGBT)器件具有功率密度高、短路失效等优势,已被广泛应用于柔性直流输电换流阀中。现有压接型IGBT器件短路失效研究主要基于宏观测试结果,难以揭示由微观材料失效诱发器件短路失效的机理,该文基于圧接型IGBT器件短路测试结果,提出压接型IGBT器件短路失效机理的多层级模拟方法。首先,搭建短路冲击实验平台,基于短路实验获取失效发生条件与失效芯片;其次,建立压接型IGBT宏观器件——介观元胞模型,研究圧接型IGBT器件短路失效时器件–元胞复合应力变化规律;最后,建立微观元胞铝–硅界面分子动力学模型,分析短路失效发生条件,揭示短路失效机理,并提出芯片失效部位相对概率分布。结果表明,短路工况下芯片靠近栅极的有源区边角是最容易发生失效的薄弱区域,铝、硅材料失效是导致压接型IGBT器件短路失效的直接原因。     

IGBT小电流开通失效研究及结构改进

对绝缘栅双极型晶体管(IGBT)在小电流开关测试失效进行了分析研究,对IGBT栅极和集电极的电压电流波形监测发现,IGBT在小电流开通时电压电流波形存在严重的振荡问题,电压幅值超过器件最大额定值,导致器件失效。分析了IGBT芯片电容和栅极电阻对小电流开通振荡的影响,通过对IGBT芯片结构进行改进,将小电流振荡抑制在安全值范围内,解决了IGBT小电流开通失效问题,改进后的IGBT器件性能参数和应用测试温升接近国外竞品。     

变频空调压缩机驱动IPM模块工作可靠性研究与应用

针对空调用IPM模块在生产过程及用户使用一段时间后出现IPM电性能失效问题,本文从IPM失效机理、器件结构工艺设计、ESD器件应用环境器件设计质量可靠性等方面进行分析。通过器件失效机理、X光、开封、ESD测试、空调整机波形测试分析等对IPM器件本身全方位分析论断,分析结果表明:IPM整体设计存在质量缺陷,IPM驱动芯片抗ESD能力水平低、IPM内部IGBT极限耐压水平较低,IPM驱动芯片集成度过高内部电路设计存在缺陷,难以实际应用环境中以较高的可靠性工作,本次IPM电性能失效实际与器件本身设计质量缺陷存在较大关联;从器件本身可靠性设计、晶元内部电路设计、晶元内部结构布局设计全面整改,从器件本身质量提升着手,进行全面、系统化提升器件质量。     

微波铁氧体器件的可靠性筛选

本文简要叙述了微波铁氧体器件(微带隔离器)可靠性筛选的作用、筛选条件、筛选结果,失效模式以及失效机理分析等,可供此类器件可靠性设计的参考与借鉴。     

光电耦合器可靠性研究与应用

本文从光耦生产使用过程、光耦失效机理、器件内部结构、器件工艺设计、器件应用环境、器件设计质量可靠性等方面进行全面分析。通过器件失效机理、X光、开封性能参数测试分析等对光耦器件本身全方位分析论断,根据分析结果调整光耦内部结构设计以及生产工艺,从器件本身应用环境、器件可靠性设计、光耦内部结构设计全面论证分析整改,从器件本身质量提升着手,进行全面、系统化提升器件质量。     

压接型IGBT器件单芯片子模组疲劳失效的仿真

压接型绝缘栅双极型晶体管(IGBT)器件因其具有双面散热、失效短路和易于串联等优点特别适合应用于柔性直流输电等大功率领域。但这种压接封装结构的器件在经历长时间的循环热应力后,各组件中的金属材料会逐渐出现疲劳失效,对器件可靠性产生不利影响。建立压接型IGBT器件的单芯片子模组有限元仿真模型,利用功率循环仿真来模拟器件所经历的循环热应力工况,并对功率循环仿真结果进行热和力的分析。同时应用组合Coffin-Mason和Basquin模型对IGBT芯片进行疲劳寿命预测。结果表明芯片与发射极钼片相接触的边缘区域承受的压力最大也最易变形,且在高应力条件下芯片的疲劳寿命只有10 000多次循环。最后结合实际失效的芯片和仿真结果提出压接型IGBT器件一种"压力失效"模式,并对其相应的失效机理进行了一些初步解释。     

器件的失效与DC参数测试系统的关系

本文叙述集成电路测试中遇到的几个主要问题，分析了器件测试中经济使用的ＤＣ参数测试系统的结构、与其失效参数的关系及改进的方法。对集成电路生产、测试与使用者均有一定参考作用。     

超超临界塔式炉T23水冷壁早期失效分析

对国内多台超超临界塔式炉T23水冷壁早期失效案例进行了统计,对典型失效管样进行宏观和微观分析,测试接头的力学性能,在此基础上分析失效机理及主要影响因素。研究结果表明,失效是由于焊缝产生横向裂纹,裂纹沿晶界扩展。初步判断裂纹性质为楔形蠕变裂纹。合金过饱和固溶使焊缝处于高硬度水平是产生楔形蠕变裂纹的内因,水冷壁密集焊缝结构使接头部位的拉伸应力增大,它与内压应力叠加提供了裂纹形成和扩展的力学条件。降低焊缝硬度和细化晶粒有利于避免失效。     

SiC MOSFET重复雪崩能力提升的芯片结构优化方法

SiC MOSFET的高速开关工况易诱发巨大的di/dt,从而在电路的感性负载上引发过电压,导致器件进入雪崩状态。在多次雪崩冲击后,器件易发生重复雪崩失效。针对SiC MOSFET芯片元胞结构中栅氧化层薄弱导致器件耐重复雪崩冲击能力较差的问题,进行芯片元胞结构优化研究,以增强芯片耐重复雪崩能力,提升器件可靠性。首先,研究SiC MOSFET器件重复雪崩失效机理,开展SiC MOSFET器件重复雪崩失效测试,基于失效测试结果建立SiC MOSFET重复雪崩失效可靠性评估模型;其次,针对SiC MOSFET芯片元胞结构提出了栅极底部蚀刻、P-well区扩展、JFET顶部削弱三种优化结构,并研究三种优化结构对SiC MOSFET芯片SiO₂/SiC界面处碰撞电离率和垂直电场强度的影响;最后,基于SiC MOSFET雪崩失效可靠性评估模型,对比分析了三种不同优化结构SiC MOSFET的可靠性。研究结果表明SiC MOSFET器件栅极蚀刻元胞结构具有更高的重复雪崩失效可靠性,相关研究成果为SiC MOSFET器件耐重复雪崩失效能力提升的芯片元胞设计奠定理论基础。     

功率MOSFET寿命模型综述

MOSFET是实现电力电子装置功能的核心器件,但其寿命短是制约电力电子系统可靠性的关键因素。由老化造成的MOSFET失效分为封装失效和参数漂移失效,前者由MOSFET制造工艺及材料导致的缺陷在工作环境中恶化而产生,后者为器件在使用过程中其内部微观退化机制在宏观参数的体现。对目前已有的MOSFET寿命相关的研究成果进行总结,分析了MOSFET的各类失效模式,并建立了各类失效模式下MOSFET寿命模型;并进一步总结了各类失效模式下寿命模型的失效判据及其各类寿命预测模型实验验证方法。     

电感类物料绕线焊接工艺研究与应用

空调内外机在过程以及售后实际使用中频繁出现电感类元器件出现线圈断问题,导致空调使用寿命变短,一直是困扰着空调生产企业以及电感类器件生产厂家的难题,严重影响产品质量,该问题长期存在没有得到有效解决方案。本文从电感类元器件失效机理、器件内部构造、器件应用环境、器件生产工艺等方面进行全面分析。通过器件失效机理、器件环境应力模拟分析等对电感类器件全方位分析论断,分析结果表明:电感类器件在生产过程中由于绕线过紧、焊接温度过高、焊接时间过长、人工焊接手法不规范等原因难以在实际应用环境中以较高的可靠性工作,最终在过程使用以及售后使用过程中出现线圈断失效。电感类元器件失效实际与器件本身生产工艺设计陷存在较大关联;从器件本身应用环境、器件可靠性设计评估、器件应用环境标准、器件生产工艺全面论证分析整改,从器件本身质量提升着手,进行全面、系统化提升器件质量。     

手机的杂散幅射及其测试

本文分析了手机中杂散信号产生的主要根源是各种器件的非线性,介绍了抑制杂散信号和防止它们幅射出去的2种方法.本文还介绍了手机杂散信号的测试系统和方法以及手机杂散信号电平测试的条件.     

风电全功率变流器参数对可靠性的影响分析

风速的随机变化使得风电变流器处理变化的功率,导致器件的温度产生波动,影响变流器的可靠运行。现有的基于一个工作状态下的风电变流器可靠性评估,无法反映负载随机变化造成器件温度波动对变流器可靠性的影响。功率器件失效的主要形式为铝键合线失效与焊料层疲劳,本文综合考虑这两种失效因素,给出了可靠性评估模型和评估方法,分析了开关频率、功率因数及散热热阻的变化对风电全功率变流器可靠性的影响,并以1MW永磁同步风力发电机为例结合实际的风速及气温数据进行了验证。实例结果表明,开关频率与散热热阻的变化对变流器可靠性的影响比较大。根据分析结论,讨论了针对风电变流器的实际工作环境,考虑风速的概率分布,对利用变频或变散热条件的控制措施以提高变流器可靠性的可行性。结果表明,可通过根据风速等工况来改变开关频率和散热条件来提高变流器的可靠性。     

氮化镓高速电子迁移率晶体管双界面热阻测试

热阻的准确对GaN HEMT器件寿命评价的有效性有非常大的影响。红外热像法热阻测试只能在器件未封帽时进行,不适用于封装完整的器件。利用正偏栅极电压和瞬态热阻抗分离点相结合的瞬态双界面测试法,对一款进口GaN HEMT器件开展了电学法热阻测试研究。将测试结果与红外热像法热阻测试结果进行了对比,并分析了在不同控温冷板温度和功率条件下器件热阻的变化。结果表明,双界面热阻测试能够在封装完整的情况下实现对GaN HEMT器件热阻的准确测试,在不同条件下热阻测试结果呈现一定的变化规律。     

基于瞬态热阻的IGBT焊料层失效分析

焊料层失效是绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)器件最主要的失效方式之一,有效的焊料层失效评估方法对提高系统可靠性尤其重要。该文提出了基于瞬态热阻的IGBT焊料层健康状态评估及失效部位判定方法,量化分析芯片焊料层失效、DBC焊料层失效对器件整体失效的贡献。首先,利用三维有限元仿真证明该方法评估功率器件焊料层疲劳老化的可行性;然后,提取IGBT模块的结构函数曲线建立三阶Cauer模型,实现对不同焊料层失效程度的量化评估以及失效点判定;最后,搭建试验平台,分析不同工况和失效状态下瞬态热阻曲线的变化规律,验证所提出的瞬态热阻法评估IGBT焊料层失效的有效性。     

并联功率端口不均流对IGBT模块热特性的影响

针对大功率IGBT模块在短路极端运行条件下的可靠性问题,将器件的功率端口不均流现象和由此产生的动态结温变化进行综合分析。首先,通过实验对英飞凌某型3 300 V/1 500 V IGBT模块在短路条件下的并联端口均流特性进行测试,进而得到不同功率端口的功率损耗。其次,采用有限元法构建IGBT模块的热模型,进一步研究功率端口不均流对IGBT芯片瞬态热特性的影响。研究结果表明,短路条件下的端口电流差异可达1 500 A,其导致IGBT结温相差11℃左右,进而增加器件发生瞬时热失效的风险。研究结论可为功率半导体器件的优化设计提供指导。