有机硅凝胶及其在IGBT功率模块封装中的应用

为了评估国产有机硅凝胶在绝缘栅双极晶体管（IGBT）功率模块封装中的应用情况，选取了3种国产有机硅凝胶进行综合性能对比，包括固化前外观、密度、黏度、混合比例和凝胶时间，固化后绝缘性能、渗油性、阻尼性、粘附性和200℃下耐高温性能等。分析了3种有机硅凝胶样品的差异，并利用其分别封装IGBT功率模块，对所封装的模块进行温度循环测试。结果表明：有机硅凝胶的起始黏度和混合比例对封装工艺和封装设备有影响，固化后锥入度、绝缘性能、渗油性、阻尼性、粘附性等性能对有机硅凝胶型号的选用有指导作用，耐高温性能和耐温度循环能力是评估样品能否用于IGBT功率模块封装重要的指标。     

高分子绝缘材料在功率模块封装中的研究与应用

本文介绍了高分子绝缘材料在功率模块封装中的研究与应用情况,包括有机硅凝胶、环氧灌封胶、环氧模塑料、塑料框架等材料,并对其性能指标和国内外研究现状等进行了阐述.最后对高分子材料在功率模块封装中的应用方向进行了展望,即优化使用工艺,提高产品稳定性和绝缘性能,开发耐温度冲击、热膨胀系数低、介电强度高的材料以及研究新型应用技术等.     

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。     

干式变压器用高导热新型环氧灌封胶的研制

为研制适用于干式变压器的高导热环氧灌封胶,在环氧-酸酐体系中添加实验室自制的改性氧化硅制备灌封胶,测试其导热性能和电气绝缘性能,并研究该灌封胶的适宜浇注温度及最佳固化工艺.结果表明:当改性氮化硅填充量为75％时,灌封胶的热导率为1.494 W/(m·K),介质损耗因数仅为0.41％,具有高导热性以及优异的电气绝缘性能.当浇注温度为70℃时,2 h内灌封胶的黏度低于2 800 MPa·s,具有良好的浇注工艺性.灌封胶最佳的固化工艺为80℃真空/0.5 h+80℃/4 h+90℃/3 h+110℃/2 h+140℃/5 h,在该条件下灌封胶中粉体的沉降较小且固化物有最佳的综合性能.     

大功率IGBT用环氧树脂灌封胶的流变性能研究

为研究大功率IGBT用环氧树脂灌封胶体系的流变性能,以黏度为数据基础,建立了与黏度数据基本吻合的流变学黏度模型方程,并分析环氧胶的使用工艺。结果表明:环氧树脂灌封胶在50~90℃内起始黏度低,可操作时间大于30 min,且后期固化速率较高,符合IGBT模块的灌封使用要求。建立的黏度模型方程能有效预测环氧胶体系的流变特性,并为拟订合理的工艺参数提供参考。     

碳化硅功率模块封装技术综述

碳化硅作为宽禁带半导体的代表，理论上具有极其优异的性能，有望在大功率电力电子变换器中替换传统硅IGBT，进而大幅提升变换器的效率以及功率密度等性能。但是目前商用碳化硅功率模块仍然沿用传统硅IGBT模块的封装技术，且面临着高频寄生参数大、散热能力不足、耐温低、绝缘强度不足等问题，限制了碳化硅半导体优良性能的发挥。为了解决上述问题，充分发挥碳化硅芯片潜在的巨大优势，近年来出现了许多针对碳化硅功率模块的新型封装技术和方案，重点关注碳化硅功率模块封装中面临的电、热以及绝缘方面的挑战。该文从优化设计方法所依据的基本原理出发，对各种优化技术进行分类总结，涵盖了降低高频寄生电感、增强散热性能、提高耐高温能力以及提升绝缘强度的一系列相关技术。在此基础上，对相关的可靠性问题进行总结。最后基于碳化硅功率模块封装技术的现状，对相关技术的未来发展进行了展望。     

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。     

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。     

15 kV超高压SiC功率模块封装研究

高压碳化硅(SiC)功率模块主要应用于功率逆变器和断路器等方面,可有效减小系统体积、提升系统功率效率。15 kV SiC MOSFET及20 kV以上IGBT器件在多个实验室研发成功,但针对高压大电流的SiC MOSFET模块封装仍然停留在6.5 kV等级,随着电压等级的升高,模块内部电气绝缘和局部放电引起的问题也越发突出。针对高压封装内部局部放电现象进行研究,通过实验对比探究了陶瓷的电气距离、灌封材料、DBC涂敷材料对局部放电的影响,并在实验基础上研制出一款15 kV高压SiC功率模块,绝缘耐压达到18.5 kV以上。     

汽车级IGBT模块功率循环及温度循环寿命对比与分析

随着电动汽车领域越来越多地使用绝缘栅极晶体管（IGBT）模块,在这些关乎乘员安全的场合,通常要求IGBT模块具有更高的可靠性。选取了典型的汽车级和工业级IGBT模块产品,分别进行了功率循环和温度循环试验,对比了2种模块的可靠性差异,结果表明,汽车级模块产品的功率循环寿命较工业级产品差,但是温度循环寿命明显优于工业级产品。     

封装技术对功率半导体模块性能的影响

不同封装技术对功率半导体模块的电气性能、散热性能和可靠性有不同的影响。分析了模块寄生电感对绝缘栅双极型晶体管(IGBT)开关特性和开关损耗的影响,结合优化的门极开通和关断电阻,将模块的寄生电感从20 nH降低至10 nH可以使IGBT的开关损耗减小20%～30%。通过热阻的方法分析了IGBT模块散热系统中不同材料对IGBT散热的影响,其中导热硅脂和模块陶瓷衬底对模块的散热影响较大,从导热介质、衬底材料、芯片大小和间距及基板结构方面阐述了优化模块散热性能的方法。不同材料的热膨胀系数不匹配是导致模块老化失效的主要原因,阐述了绑定线连接、焊接层疲劳的机理和现象,介绍了提高模块封装可靠性和寿命的一些新材料和新工艺。     

电动汽车用大功率IGBT模块封装技术

绝缘栅双极型晶体管(insulated-gate bipolar transistor,IGBT)模块是电动汽车的核心部件,针对电动汽车应用环境特点,设计一款大功率IGBT模块封装方案,从功率芯片、直接覆铜(direct bonded copper,DBC)基板、功率电极、控制电极及环氧树脂层等多个方面介绍该方案的特点。实验测试结果证明,该封装设计方案样品特性良好,满足了电动汽车应用的要求。     

母排杂散电感对IGBT模块功率端子不均流影响

IHM-B封装绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块有3组功率端子,其内部可等效为3组IGBT并联。母排杂散电感的分布对流进该模块功率端子电流的不均流程度有很大影响。以一种半桥式结构的母排作为研究对象,建立影响IHM-B封装的IGBT模块功率端子间不均流程度杂散电感的等效数学模型。通过Q3D有限元仿真软件提取出该母排的自感与互感。搭建双脉冲测试电路,分别提取出在开通瞬态某一时刻流进该IGBT模块3组端子的电流变化率的实验数据,进而分析母排杂散电感对IGBT模块功率端子不均流的影响。实验分析结果证明,通过改变母排结构以减小等效杂散电感的差异,能很好地消除功率端子不均流现象。     

1 200 V/75 A IGBT与FRD芯片在功率模块中的性能优化

介绍绝缘栅双极型晶体管(insulated-gate bipolar transistors,IGBT)与快恢复二极管(fast recovery diode,FRD)匹配技术的特点和优势、应用前景及发展趋势。为更好地研究IGBT和FRD芯片在功率模块内的使用状况,结合国网智能电网研究院自主开发的1 200 V/75 A的IGBT和FRD芯片,得到相关的特性参数。将它们封装成功率模块,提出优化IGBT与FRD在功率模块中性能匹配优化的几种方法。     

无机填料对环氧树脂灌封胶性能影响

以活性硅微粉、活性碳酸钙和活性氢氧化铝3种无机填料作为环氧树脂灌封胶的导热填料,研究了3种填料的含量对环氧灌封胶粘度、热导率、线性热膨胀系数、阻燃性和拉伸性能的影响。结果表明:无机填料的添加有利于提高环氧树脂灌封胶固化物的热导率,降低体系的线性热膨胀系数;但随着填料添加量的增加,环氧胶的粘度显著增加,对其固化物拉伸性能影响较大,填料添加量应控制在20%～30%为宜;3种无机填料中,氢氧化铝含量对环氧胶阻燃性的影响最明显。     

基于关断电流最大变化率的压接式IGBT模块结温提取方法

压接式绝缘栅极双极性晶体管(IGBT)模块因优越的电气性能和封装设计,受到柔性直流输电等大功率应用场合的青睐,其模块可靠性也成为大功率应用场合研究的重点,而IGBT模块结温是影响器件可靠性的重要因素。基于压接式IGBT模块双脉冲测试平台,介绍一种基于关断电流最大变化率的压接式IGBT模块结温提取方法,分析压接式IGBT芯片结温和模块关断电流最大变化率间单调变化关系,并利用压接式IGBT模块封装结构固有的寄生电感有效获取关断电流最大变化率的信息,以此来反推模块结温特性。最后通过压接式IGBT双脉冲测试平台验证了通过模块关断电流最大变化率进行压接式IGBT结温提取的可行性。     

软穿通型3300 V/1200 A IGBT模块建模与仿真

绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)是功率模块作为电力电子领域中的重要大功率器件,在大容量场合越来越受重视。高压大功率IGBT模块国产化需求迫切,针对国产IGBT器件的模型研究成为不可缺少的环节。提出一种IGBT模块建模方法,基于IGBT工艺仿真与物理机制建立IGBT芯片模型,利用Q3D软件提取IGBT模块杂散参数,在Saber软件中结合芯片模型与杂散参数建立IGBT模块模型。然后,采用IGBT模块模型在Saber软件中搭建双脉冲仿真电路,得到IGBT模块的仿真波形。最后进行实验研究,将仿真波形与实验波形进行对比,结果基本一致,可见利用该方法所建的IGBT模块模型比较精确,为IGBT器件的应用仿真研究奠定了基础。     

大容量变流器中IGBT关断过电压抑制技术研究

随着抽蓄机组向着更大系统容量方向的发展,需要大容量的变流器与之配套,大容量变流器对高压、大容量绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块的封装特性和电气性能也提出了更高要求,压接式IGBT具有高功率等级、易于功率阀组的搭建等优点,在大容量变流器中得到了成熟应用。受功率阀组主回路中杂散电感及IGBT反并联二极管浪涌电压的影响,IGBT在关断过程中会产生电压过冲,针对应用于300 MW级变速抽蓄机组的大容量变流器,通过双脉冲和仿真估算变流器功率阀组主回路中的杂散电感,提出了一种综合抑制IGBT关断过电压的方法,并在实际系统上验证了该方法的可行性。     

桐马环氧胶粘剂的改性研究

为缩短桐马环氧胶粘剂的固化温度和时间，对粉云母带用桐马环氧胶粘剂配方进行研究，探索了新型固化促进剂对胶粘剂固化速度及温度的影响。用该促进剂配制的环氧胶粘剂具有凝胶时间短、介质损耗小、固化温度低绝缘性能好等特点，明显降低了能耗。     

国产高压大功率IGBT应用于机车变流器工作特性测试研究

高压大容量IGBT器件广泛应用于现代电力机车变流器系统中,其工作特性决定了电力机车的运行性能。用于牵引变流器的IGBT模块在功率密度、反并联二极管容量、封装技术和工作环境上要求更加严格。依据实际应用环境,测试并掌握IGBT器件的特性参数,选用合适的驱动保护电路,可以确保IGBT稳定可靠运行,充分发挥变流系统的控制特性。本文重点研究DM型国产大功率IGBT的工作特性,选取两种国外同规格IGBT进行对比测试分析。将国产DM型IGBT应用到HXD2F机车变流器进行了特性测试,测试结果为此款IGBT以后应用于牵引变流器的开发设计选型提供参考。