100A/1200V Si/SiC混合模块对比研究（英文）

采取对比的方法将Si IGBT/Si FRD模块与Si IGBT/SiC SBD模块静态及动态特性进行了测量与分析。测试表明,将Si IGBT模块中Si FRD替换为SiC SBD后开关损耗减小明显,提升效率的同时可大大提高功率模块的工作频率,降低系统体积。为了解释Si IGBT/SiC SBD混合模块开通过程中电流电压振荡现象,本文对模块开通与关断过程中电流的流通路径进行了对比,用以解释产生开通振荡的原因。分析中发现,开通振荡主要来自于模块封装杂散电感与IGBT输出电容及SiC SBD结电容产生的LC谐振。SiC SBD由于结电容较大而导致开通振荡较为明显。因此,为了提高SiC器件系统的可靠性,需要找到一种低电感封装技术,满足SiC器件封装要求。     

功率电子模块及其封装技术

功率电子模块正朝着高频、高可靠性、低损耗的方向发展,其种类日新月异。同时,模块的封装结构、模块内部芯片及其与基板的互连方式、封装材料的选择、制备工艺等诸多问题对其封装技术提出了严峻的挑战。文章结合了近年来国内外的主要研究成果,详细阐述了各类功率电子模块（GTR、MOSFET、IGBT、IPM、PEBB、IPEM）的内部结构、性能特点及其研究动态,并对其封装结构及主要封装技术,如基板材料、键合互连工艺、封装材料和散热技术进行了综述。     

基于有限元仿真的IGBT混合模块的可靠性分析

集成化与微型化是当今电子信息产业发展的特点,其中电子元件的结温与热应力是影响其可靠性的重要因素。硅基IGBT和SiC基续流二极管组成的混合模块广泛应用于城市轨道交通等领域,其可靠性直接影响轨道交通车辆的运行性能。本文建立IGBT混合模块的仿真模型,随着各层材料厚度、焊料空洞大小和位置的变化,计算分析IGBT混合模块的温度与应变变化规律,对模块封装结构进行优化设计。将高热导率石墨烯应用在IGBT混合模块中,仿真分析应用位置不同对模块可靠性的影响,从而进一步优化混合模块的封装结构。通过仿真计算,优化后的IGBT混合模块可将最高结温降低近3℃,最大热应力下降超过30 MPa。     

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。     

基于LabVIEW的IGBT数据采集与处理系统设计与研究

有品质风险的IGBT模组进入产品会对产品质量产生极大负面影响。文章根据IGBT模块系统检测的现状,研发和设计了基于LabVIEW的IGBT模块集成检测管理系统,主要由平板计算机、数据采集模块、IGBT驱动器和维护模组、通信和接口模组等构成。可以实现对62 mm包装、semix系统扁平封装和IHM封装系统IGBT模块电性能检测,可对测试数据实现录入、存储和打印操作。     

功率IGBT模块中的材料技术

介绍了功率IGBT模块封装中所用到的氮化铝DBC技术和铝碳化硅技术,通过对其材料特性、技术特点分析以及其对IGBT模块性能的影响分析,说明了氮化铝DBC和铝碳化硅在未来高压大功率IGBT模块发展中的作用和发展趋势。     

IGBT芯片和IGBT模块封装技术全面蓬勃发展

正目前我国IGBT产业在国家政策及重大项目的推动及市场牵引下得到了迅速发展,呈现出大尺寸区溶(FZ)单晶材料、IGBT芯片工艺和IGBT模块封装技术全面蓬勃发展的大好局面。     

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。     

1700 V精细沟槽栅IGBT器件设计

为了改善绝缘栅双极型晶体管(IGBT)器件关断损耗和导通压降之间的折中关系,同时降低器件制造成本,基于1 700 V电压平台设计了一种采用精细沟槽栅结构的IGBT。采用TCAD软件进行仿真,研究衬底电阻率、衬底厚度、沟槽栅深度、沟槽栅宽度、载流子存储层注入剂量、沟槽栅元胞结构等因素对精细沟槽栅IGBT器件性能参数的影响,确定了最优工艺参数,并对1 700 V精细沟槽栅IGBT芯片进行流片和封装。测试结果显示,相比普通沟槽栅IGBT模块,1 700 V精细沟槽栅IGBT模块在芯片面积减小34.2%的情况下,关断损耗降低了8.6%,导通压降仅升高5.5%,器件性价比得到了优化。     

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。     

IGBT在客车DC600V系统逆变器中的应用与保护

简要介绍绝缘栅极晶体管（IGBT）的结构、特点及其在铁路供电系统中的应用。重点讨论IGBT模块在铁路客车DC600V供电系统逆变器中的应用与保护。IGBT模块具有损耗小。便于组装,开关转换均匀等优点。应用结果表明,IGBT模块有过压、欠压保护,过流、过载、过热等保护功能,保证DC600V供电系统安全、可靠地运行。     

Temperature monitoring inside IGBT modules at forward bias from the cross section and its finite element analysis

Temperature distribution inside IGBT modules is considered as the key factor for their reliability and applications. In the present work, the IGBT module with cross section was prepared by metallographic technologies. Microstructure of the IGBT module was characterized from the cross section by scanning electron microscope (SEM). Electrical characteristics of the IGBT modules after cross section operation were tested at conduction and switching status. It indicates that the IGBTs remained well electrical functions. Temperature distribution inside the IGBT was measured by high resolution IR camera from the cross section at forward biased status, based on which the transient and steady thermal impedance were calculated. Finally, a 2D finite element model concerning on the heat conduction process inside IGBT was realized, which exhibited that the simulated results were quite consistent with the experiment. Although the mechanical cross-section method is impossible to employ in practical applications of IGBT, this work may provide a new insight on the study of the package fatigue and thermal behavior inside IGBTs at forward bias.     

3300 V p+深阱平面栅非穿通IGBT特性

高压绝缘栅双极晶体管(IGBT)存在寄生晶闸管,易发生闩锁失效.对p+深阱的参数进行了优化,制备了3 300 V p+深阱平面栅非穿通IGBT (NPT-IGBT).对NPT-IGBT的静态特性进行了仿真,结果表明,当p+结深约为5.5 μm,p+深阱距离多晶硅5μm时,p+深阱并未影响到沟道处p阱掺杂浓度,对IGBT静态特性无明显影响.制备了不同p+深阱注入剂量的IGBT芯片,并将芯片封装为模块,分别进行常温和高温下的静态和动态参数测试.测试结果表明,当p+深阱剂量低时,常温下模块关断失效;而p+深阱剂量增大时可通过常温、高温开关测试,并通过10μs短路测试.p+深阱注入剂量对静态特性无明显影响,对动态特性改善明显,可满足应用要求.     

IGBT模块回流焊工艺中预翘曲铜基板的研究

IGBT模块铜基板的平整度对于模块的可靠性至关重要,在工业生产中,往往会通过机械的方法使平整的铜基板预翘曲成凹形,从而达到使铜基板在回流焊之后变得平整目的.基于Anand粘塑性模型,通过有限元的方法建立回流焊工艺模型分析整个回流过程中铜基板翘曲变化.研究了DBC铜层图形对因回流引起的铜基板翘曲的影响,分析了铜基板预翘曲量对回流中基板翘曲变化的影响.研究结果表明,铜层图形对回流中铜基板翘曲的影响较小,预翘曲量的大小对回流中铜基板翘曲变化方向影响较小,回流中基板翘曲变化量近似为一常数.一种有效地分析回流焊工艺过程的方法被提出,为封装工艺工程师提供了重要参考,对工业生产具有重要的指导意义.     

新型电力电子模块的发展趋势

本文论述了新型IGBT模块的需求和发展状况，介绍了SEMIX新型模块系列和SEMIX产品开发平台，并给出了相应的图片和数据。     

基于FPGA的SFP光纤通信控制器的研究与设计

针对高速数据存储器对光纤数据高速率、大容量的要求,设计了一种SFP(small form pluggable) 热插拔小封装模块高速光模块控制器。该设计采用Spartan-6 FPGA为核心控制器、高速串行技术为支撑,进行了接口电路的设计,且重点介绍了控制器的自定义协议的设计和仿真。通过分析集成比特误码率测试仪器（IBERT）测试和Chipscope抓取的数据,验证了光纤数据能够以不低于1Gb/s的速率进行数据存储。结果表明该设计具有封装小,可移植性强等优点,在某高速数据存储器中已得到了成功应用。     

Double-sided cooling for high power IGBT modules using flip chiptechnology

A new technique for the packaging of IGBT modules has been developed. The components are sandwiched between two direct bond copper (DBC) substrates with aluminum nitride. Wire bonds are replaced with flip chip solder bumps, which allows cooling of components on both sides. Microchannel heat sinks are directly integrated in the package to decrease the thermal resistance of the module. Thus, a very compact module with high thermal performance is obtained. A prototype with two insulated gate bipolar transistors (IGBTs) and four diodes associated in parallel was realized and tested. In this paper, the innovative packaging technique is described, and results of thermal tests are presented     

新型电力电子模块的发展趋势

本文论述了新型IGBT模块的需求和发展状况，介绍了SEMIX新型模块系列和SEMIX产品开发平台，并给出了相应的图片和数据。     

Boundary element analysis of thermal fatigue effects on high power IGBT modules

The technology of high power IGBT modules has been significantly improved these last years against thermal fatigue. The most frequently observed failure modes, due to thermal fatigue, are the solder cracks between the copper base plate and the direct copper bonding (DCB) substrate and bond wire lift-off. Specific simulation tools are needed to carry out reliability researches and to develop device lifetime models. In other respects, accurate temperature and flux distributions are essential when computing thermo-mechanical stresses in order to assess the lifetime of high power modules in real operating conditions. This study presents an analysis method based on the boundary element method (BEM) to investigate thermal behavior of high power semiconductor packages subjected to power cycling loads. The paper describes the boundary integral equation which has been solved using the BEM and applied to the case of a high power IGBT module package (3.3 kV–1.2 kA). A validation of the numerical tool is presented by comparison with experimental measurements. Finally, the paper points out the effect on the thermal stress of the IGBT chips position on the DCB substrate. In particular, a light shifting of the silicon chips may be sufficient to delay significantly the initiation and the propagation of the cracks, allowing a higher device lifetime of the studied module.