IGBT模块焊料层空洞生长分析与评估方法

绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块在实际工况中会受到周期性的交变电、热、机械力等多种应力作用,极易导致焊料层空洞的快速融合、生长,造成焊料层分层脱落和失效。通过进行焊料层多物理场耦合建模仿真和老化试验,研究了芯片焊料层空洞大小、位置以及分布对模块结温和应力的影响;进而,提出了老化过程中焊料层空洞的生长模型,分析了模块热特性随空洞生长过程的变化规律;然后,通过研究反映空洞热阻的Cauer热网络模型及其参数提取方法,提出了利用模块热阻增加率评估焊料层空洞生长程度的方法。结果表明:在生长初期(空洞率≤5%),焊料层中心空洞对热阻、芯片结温的影响大于边缘空洞,对应力的影响则相反;在生长后期,芯片焊层空洞率大于30%、直接敷铜(DBC)衬底焊料层空洞率大于40%,不同生长模型的影响基本一致。最后通过功率循环老化、超声波检测以及结温测试,验证了结论。     

考虑焊料空洞损伤的IGBT双向热网络模型

绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块的老化状态和封装结构对IGBT芯片的结温及温度分布产生影响,但传统热网络模型往往会忽视硅胶和外壳对结温的影响,造成结温估计不准确.针对此问题建立考虑硅胶和外壳的双向热网络模型,在考虑芯片焊料层空洞的基础上对模型进行优化,并利用有限元仿真,分析硅胶和外壳对IGBT模块芯片温度分布的影响,...     

键合线故障下IGBT的电磁干扰特性研究

电力电子装置中的IGBT模块存在多种故障类型,键合线脱落故障是其中最常见的一种,如何判定IGBT发生键合线脱落故障成为一个研究难点。通过分析键合线的脱落机理和发生故障时对IGBT开关过程的影响,可以得出键合线故障会导致IGBT模块工作过程中产生的电磁干扰变大,然后通过实验进行验证。结果表明,通过监测回路中电磁干扰强度来诊断IGBT模块发生键合线脱落故障是可行的,且具有一定的工程实际意义。     

玻璃与铝多层阳极键合接头力学性能分析

阳极键合是一种利用电和热相互作用实现固体电解质玻璃(陶瓷)与金属材料固态连接的一种新方法.运用共阳极法实现多层玻璃/铝的键合,并采用微拉伸试验和MARC非线性有限元分析软件,分析了玻璃与铝多层键合试件冷却后,接头的力学性能和残余应力分布状况.试验发现,在玻璃/铝/玻璃多层连接区,键合界面附近的残余应力和应变呈对称分布,多层结构的对称性有利于缓解接头应变和应力,表明应用公共阳极法可实现多层玻璃/铝/玻璃的良好键合.     

IGBT模块键合损伤机理、演化规律及状态监测

探究绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块键合损伤机理、演化规律和状态监测方法是电力电子器件及系统可靠性研究的重要内容之一。首先,理论分析键合损伤及其演化趋势是键合线所受电动力与键合点所受剪切应力协同作用的结果,梳理键合损伤演化的正反馈过程;然后,仿真分析键合线、点的热-力场,定量研究键合损伤及其成因的演化规律,结果表明键合线电动力与键合点剪切应力既是键合损伤及其演化的诱因,又明显受到键合损伤的影响;再后,等效电路分析和试验研究基于栅极电压密勒平台高度和集电极电流的键合电阻监测方法;最后,提出风电IGBT键合电阻在线监测的局限性及关键问题的解决方案,设计在线监测程序,并提出基于键合电阻百分比增量的键合损伤五等级状态评估方法。     

封装键合点对IGBT UIS失效的影响研究

为了解决绝缘栅双极型晶体管在实际应用当中的典型关断失效问题,对其在电感无钳位开关条件下的电压应力、电流应力、雪崩能力以及失效模式进行了研究。基于电感无钳位开关测试电路,着重探讨了UIS条件下IGBT的击穿机理。封装打线时将铝线分别键合于多个IGBT芯片发射极的不同部位,并基于自主搭建的测试平台,对该批初步封装的IGBT芯片进行了电感无钳位开关条件下的应力测试。最后提出了封装改进建议,避免封装键合点对于IGBT UIS失效的影响。实验结果表明:封装焊线在IGBT发射极金属所引入的横向电阻会导致IGBT芯片的并联元胞等效电阻不均匀,并使电流更易集中于封装键合点附近,最终导致IGBT芯片在UIS条件下的失效点均位于铝线键合点附近。     

基于高温铅锡合金焊料低空洞率焊接研究

功率模块芯片级焊接主要使用的是高温铅锡合金焊料,便于芯片进行二次模块封装,而焊接过程中的空洞是一个关键性的问题。通过高温锡铅合金焊料引入Ag元素,针对不同Ag元素组分下锡铅银合金焊片对焊接层空洞的影响进行了深入研究。实验表明采用高温焊料Pb92.5Sn5Ag2.5,焊接层具有较低的空洞率,高达98%以上的焊透率。     

IGBT模块空洞率与其温度分布特性关系研究

IGBT模块焊接层空洞会使得模块局部热阻增加、散热能力降低进而导致表面温度场畸变。本文基于红外热像仪和DSP控制单元搭建温度分布检测系统,实现IGBT模块温度场信息的采集、处理和分析。根据实验需要采用自制IGBT模块研究空洞对温度场的影响。通过对不同空洞尺寸的模块进行实验,获得空洞率与温度场分布特性之间的关系。结果表明IGBT模块温度分布特性可以用来进行空洞的定量检测,并给出了根据表面温度特性对IGBT模块性能评估的一般方法。     

高功率蓝光半导体激光器巴条的封装技术研究

为实现高功率的蓝光半导体激光输出，对蓝光巴条的封装技术进行了研究。利用金锡硬焊料封装了高功率氮化镓（GaN）蓝光半导体激光巴条，应用铜钨过渡热沉作为缓冲层抑制了铜热沉和GaN激光芯片之间封装残余应力，采用高精度贴片机将芯片共晶键合在铜钨过渡热沉上。贴片质量的好坏直接影响了器件的输出特性，所以重点分析了贴片机的焊接温度焊接压力、焊接时间对器件的影响。实验结果表明：当贴片机的焊接温度为320℃、焊接压力为0.5 N、焊接时间为40 s时，焊料层界面空洞最少，热阻最低为0.565℃/W，阈值电流最低为4.9 A，在注入电流30 A时，输出光功率最高为32.21 W，最高光电转换效率达到了23.3%。因此，在优化焊接温度、焊接压力、焊接时间后，利用金锡硬焊料将蓝光半导体激光芯片共晶键合在铜钨过渡热沉的技术方案是实现蓝光半导体激光巴条高功率工作的有效途径。     

微电子封装引线键合工艺参数的概率设计

建立多组不同网格密度的二维引线键合工艺有限元模型,从中选择一种精度较高、计算速度较快的模型进行数值模拟,并在此基础上采用Ansys概率有限元分析模块,选择蒙特卡洛模拟方法对引线键合工艺进行概率可靠性分析。研究和讨论各材料层中最大应力可能的分布区域以及应力对金属球直径、铝层厚度、键合高度、钢嘴几何结构和铝、铜与层间绝缘层ILD(interlayer dielectric)材料属性的敏感度。结果表明,金属球直径、铝层厚度、键合高度对应力的影响最明显,而其他输入参数对应力没有明显影响。     

IGBT模块封装热应力研究

为解决绝缘栅双极型晶体管（IGBT）模块在实际应用的可靠性提高、预测模块的寿命等问题,将有限元仿真技术应用到实际可靠性温度循环试验中。开展了多层结构的热应力理论分析,建立了层状结构的最大热应力和IGBT模块在实际应用中分层率之间的关系,提出了“通过计算模块在工作环境下的温度变化产生的最大热应力来预测模块实际使用过程中分层率的变化情况”的方法。进行了IGBT模块的温度循环可靠性试验。试验结果表明,通过利用最大热应力来预测IGBT模块分层率的方法与实验结果相吻合,计算结果比较精确。     

浅析铜线键合工艺第二焊点不沾的管控方法

铜线键合工艺是半导体封装技术应用中最普遍的工艺,已成为主流。虽然其在生产成本、生产效率上比金线工艺更具有优势。但是铜线的储存和使用条件对环境的要求非常高,尤其是在生产过程中极其容易氧化,另外铜线材料在生产制造中,如果材料的特性、设备键合工艺参数设置不合理、夹具的选择、环境以及夹具的选择容易造成第二焊点不沾,不良现象主要体现在弹坑、虚焊、焊接不良以及芯片焊盘铝层破裂等,最终导致产品失效。本文就铜线键合工艺中第二焊点不沾的情况如何管控进行简单的分析,以确保铜线键合工艺的稳定及可靠性。     

大型钢锭内部空洞性缺陷锻合过程的实验研究

本文采用均匀压缩热钢模拟实验,研究了内部空洞在锻合过程中受应力应变的影响,提出空洞沿最大压应变方向闭合,并经由变形→压合→扩散焊合三个阶段得以消除的机制。对坯料内部三维变形条件下对称面上应变分布的实验测量与计算结果,发现在平砧拔长条件下,应变峰值随砧宽比变化而移动的规律,以及在连续锻造过程中,两砧交界处的坯料中心存在小变形区的现象。     

SOP 器件引脚结构对互连可靠性的影响分析

基于有限元方法,建立了小外形封装((Small Outline Package,SOP)三维模型,分析了热循环载荷下5种引脚结构对焊料变形和应力应变情况的影响,对互连可靠性进行了评估,并选取3种试验样件进行热循环试验,对数值模型进行了验证分析。试验和模拟结果均表明,引脚结构与封装互连可靠性密切相关,二次成型的引脚能够有效地降低焊料变形和应力水平,其中较小的弯曲半径、较高的引脚高度效果最优,数值计算和实物试验结果吻合,数值模型能够准确地反映产品的实际情况。     

电力半导体功率模块芯片焊接质量可靠性研究

电力半导体功率模块的失效常常与焊接缺陷密切相关,其中焊接层高空洞率,焊接层强度低等问题,是影响引起功率模块失效的主要因素,同时也是可靠性研究的重要内容之一。依据功率模块芯片失效现象分析了芯片失效的原因,阐述了焊接空洞引起功率模块芯片可靠性失效的机理,同时说明了在芯片焊接过程中影响焊接质量的若干因素。     

浅析集成电路铜线A键合点工艺可靠性

铜线有比较好的物理性能、成本较低等优势,经过多年的工艺摸索已成熟应用在集成电路产品内引线焊线封装中。由于与金焊线相比,铜焊线的工艺采用范围较窄,所以进一步优化铜焊线键合的工艺参数,提升工艺可靠性,是很重要的一环。本文主要分析了焊线键合A点的试验数据设计,对样品进行推拉力DOE试验分析,验证其工艺可靠性的影响及失效模式。     

热老化对主泵泵壳材料失效评定曲线的影响研究

主要研究了热老化对主泵泵壳材料CF8在室温和350℃温度下拉伸性能以及失效评定曲线的影响。对经历不同老化时间的试样进行恒应变速率下的拉伸试验,采用Ramberg-Osgood （R-O）模型对拉伸真应力-真应变曲线进行分析,并将分析结果用于失效评定曲线的计算。结果表明,随热老化时间延长,室温和350℃温度下材料的抗拉强度均不断提高,断后延伸率有所下降;在小应变范围内,R-O模型能够较准确预测材料的真应力-真应变曲线;采用英国R6标准方法二得到不同老化阶段材料的失效评定曲线,结果显示在部分区域,如采用未老化材料的失效评定曲线,则评定结果将偏于不安全。     

一种测试1.5MW双馈变流器试验台

介绍了一种应用于双馈变流器测试试验台的设计,设计中采用电抗对变流器进行大电流老化试验,在IGBT并联的机侧模块上采用均流检测装置进行检测,并且采用了一套45k W发电机组模拟双馈变流器并网功能。     

高温复合多层膜结构传感器的热机械可靠性

文中主要讨论了应用于薄膜热电偶温度传感器的复合多层膜结构在高低温热冲击条件下的热机械可靠性。采用基于FEM有限元仿真方法的弹塑性模型,系统分析了由多层膜材料热失配导致的界面复杂热应力应变分布规律。定性给出了可能导致致命可靠性问题的应力集中区域及应变积累区域分布。与400℃温度载荷相比,薄膜热电偶温度传感器在1 200℃极限温度下最大范密歇斯应力增大50%以上。同时当温度载荷反复作用时,不仅多层膜结构的过渡层受到严重破坏而且相邻界面的内部塑性形变越发严重,使与工作层相关连的界面成为可靠性薄弱区域。     

一种基于源测量单元的IGBT的电气参数测量方法

提出了一种利用源测量单元测量IGBT模块电气参数的方法。该方法是在分析源测量单元的测量原理基础上,提出了2线本地和4线远程接法在IGBT模块参数测量中的应用。针对不同的研究目的,该方案即适用于密封的IGBT模块,又适合于开启的IGBT模块。基于源测量单元所获取的IGBT模块电气参数,可以用于准确表征其健康状态,为构建表征其健康状态的典型数据特征提供基础。