IGBT模块键合线失效研究

新能源技术的发展对功率变流装置的性能提出了更高的要求,IGBT模块作为变流器的核心器件,其可靠性受到了越来越广泛的重视。现有研究表明,恶劣的工作环境加速了器件的老化和失效,因此,深入研究IGBT模块的老化和失效机理是功率器件应用中需亟待解决的问题。以IGBT模块的键合线为研究对象,在建立IGBT模块电-热-力多场耦合模型的基础上,对正常工作和部分键合线脱落时的温度和剪切应力进行了综合分析,指出剪切力是键合线疲劳和失效的直接原因。最后,对比传统铝键合线模型,采用铜作为键合线材料,可以进一步提高模块的可靠性。本研究为进一步分析键合线疲劳,研究IGBT模块的失效形式和寿命提供了参考。     

具有低能耗的场截止型IGBT研究

开发出场截止型IGBT并深入研究了场截止型IGBT的核心技术和关键工艺。相比非穿通型IGBT,通过场截止层的形成,芯片厚度降至105 μm,器件导通压降低于2V,关断时间小于250 ns,电学性能得到了显著提高。IGBT应用于电磁炉,在不同功率下的管壳温升为25℃~35℃,远低于非穿通型IGBT,达到了更低的能量损耗。     

IGBT模块材料选型的仿真研究

作为电力电子变换器的核心器件,IGBT功率模块的可靠性是目前学术界和工业界关注的重点。本文借助有限元分析软件,根据IGBT模块的实际结构,构建了IGBT模块的电-热-力仿真模型。针对目前IGBT模块键合线失效的难题,研究了不同键合线材料与表面金属化层材料的选型对模块温度云图及应力云图的影响。仿真结果表明键合线材料的选型与模块内部的温度分布具有较强的相关性,金属化层材料的选型与模块内部的应力分布具有较强的相关性。因此,通过合理选择模块表面金属化层与键合线材料类型能极大程度降低模块内部的温度和应力,进而降低键合线失效的风险,提高模块的可靠性。     

一种超薄IGBT半导体器件的制造方法

使用了一种超薄IGBT半导体器件的制造方法。由于减薄后片子承受外部压力的能力减弱,通过使用挡片和光刻胶粘附的方法,有效降低了薄片产品的碎片率。文中从研发和生产的角度考虑,通过小批量生产投入,验证该工艺方法在实际生产中是切实可行的。     

4 500 V沟槽栅IGBT芯片的设计与研制

为提升IGBT单芯片的电流密度,掌握高压沟槽栅IGBT技术,进行4500 V沟槽栅IGBT芯片的研制。使用TCAD仿真软件,对4500 V沟槽栅IGBT的衬底材料、载流子储存层设计、沟槽宽度、沟槽深度、假栅结构等方面进行研究和仿真分析,明确各方面设计与芯片性能的关系。根据总体设计目标,确定相应的芯片结构和工艺参数,并对4500 V沟槽栅IGBT芯片进行流片验证。验证结果显示：4500 V沟槽栅IGBT芯片的测试结果符合设计预期,芯片的额定电流、导通压降、开通损耗和关断损耗等关键参数相比平面栅IGBT芯片有明显优化。     

4 500 V沟槽栅IGBT芯片的设计与研制

为提升IGBT单芯片的电流密度,掌握高压沟槽栅IGBT技术,进行4500 V沟槽栅IGBT芯片的研制。使用TCAD仿真软件,对4500 V沟槽栅IGBT的衬底材料、载流子储存层设计、沟槽宽度、沟槽深度、假栅结构等方面进行研究和仿真分析,明确各方面设计与芯片性能的关系。根据总体设计目标,确定相应的芯片结构和工艺参数,并对4500 V沟槽栅IGBT芯片进行流片验证。验证结果显示：4500 V沟槽栅IGBT芯片的测试结果符合设计预期,芯片的额定电流、导通压降、开通损耗和关断损耗等关键参数相比平面栅IGBT芯片有明显优化。     

国内首个高压IGBT芯片诞生

中国北车集团日前对外发布了高压大功率IGBT芯片及其模块,并通过了专家鉴定。这标志着国内首个高压IGBT芯片诞生。这块3300V／50A的芯片,通过付出较小的功率就能控制高电压和大电流。如在轨道交通领域中,牵引传动系统是动车组的核心部件,而IGBT又是牵引传动系统的核心部件,是“核心中的核心”。     

基于键合线压降的IGBT模块内部缺陷监测研究

为了准确地评估出IGBT模块的健康水平,及时发现并更换存在缺陷的IGBT模块,提高功率变流器的可靠性,提出了一种基于键合线压降的IGBT模块内部缺陷诊断方法。通过监测IGBT模块内部单个芯片等效键合线压降的变化,辨识出IGBT模块内键合线的老化状态,进而判断出IGBT模块的健康水平。实验结果表明,基于键合线压降的IGBT模块内部缺陷诊断方法能准确地辨识出模块内键合线的老化过程,与采用监测门极信号辨识模块老化状态的方法相比,所提方法不仅能辨识出单个芯片全部键合线脱落的情况,而且能辨识出部分键合线老化的情况,在辨识精度上有了很大的提高。该方法为确定合适的时机对变流器进行维护、降低系统的维护成本提供了理论依据。     

多芯并联封装IGBT缺陷与失效先导判据

器件由于内部芯片失效而产生IGBT故障,且检测保护困难,大多只能在系统外特性上加以防护,本体还是会受较大损害。高压大功率IGBT模块内部由多芯片和大量键合线构成,器件功能失效很大部分是由铝键合线脱落或者断裂引起的。提早发现或辨知此类缺陷或失效导致的电气特性变化,是构建IGBT故障的先导判据条件,有利于规避潜在故障风险,提高IGBT利用可靠性。针对英飞凌6.5kV多芯片并联封装IGBT模块的布局结构和连接特点,分析连接寄生参数差异对芯片工作状态的影响。以模块内部芯片间键合线的杂散电感和栅极电容参数为研究对象,利用最小二乘法参数辨识机制,构建一种区分模块缺陷与失效的先导判据。研究IGBT模块和元胞栅极等效电路,分析键合线故障导致的电路参数和工作特性变化,通过采样栅极电压与电流数据,利用最小二乘法参数估计得到故障类型及杂散参数数值,通过仿真与实验验证了该方法的有效性。     

IGBT模块失效机理及状态监测研究综述

随着电力电子系统性能要求的不断提高,绝缘栅双极晶体管（insulated gate bipolar transistor,IGBT）模块不仅要拥有高功率密度,还要具有良好的热-机械性能,以提高其可靠性。首先介绍了IGBT模块的主要失效模式,对封装中键合线和焊料层失效机理进行了详细阐述,重点介绍了IGBT模块健康状态监测,分别对结温、键合线与焊料层健康状态监测及其量化评估研究进展进行了详细分析。最后,对降低热-机械应力以提高整机可靠性设计和运行工况下在线监测研究的发展前景进行了展望。     

能量回馈单元IGBT功率周次问题及改进

基于能量回馈单元应用的节能改造工程中,出现能量回馈单元故障、损坏而影响整个传动系统使用的现实情况.结合能量回馈单元应用的典型工况,分析了失效原因之一——IGBT功率周次的影响.结合设计经验,提出匹配好电机加减速时间、优化储能元件参数等优化可靠性方案.通过实际现场应用的检验,以上优化方案得到了很好的验证.     

交流逆变器中IGBT的驱动与保护

系统介绍逆变器中IGBT的驱动与保护技术,给出了IGBT对驱动电路的要求,介绍了三菱公司的IGBT驱动电路M57962L以及IGBT的过压、过流、过热保护等措施.这些措施实用性强,保护效果好.     

IGBT串联技术动态均压电路的研究

IGBT串联技术的关键在于保持每个IGBT开通或关断同步,至少应该保证任何时刻,尤其在IGBT开通或关断过程中,使每个IGBT的电压不能超过其额定值。为了达到这个目的,在研究多种IGBT串联的控制方法后,采用了一种结构简单、控制容易的均压辅助电路并对其工作机理进行了详尽的说明。实验结果表明,所采用的辅助分压电路在IGBT串联运行时能够很好地抑制IGBT开通和关断不同步造成的过电压,能够使开关不同步造成的过电压≤10%,确保IGBT串联顺利运行。对工程实际具有一定的参考意义。     

介质阻挡放电用高频逆变电源的研制

介绍一种用于介质阻挡放电的 IGBT逆变电源。依据介质阻挡放电的特点 ,研制成功了频率 ( 5～ 2 5 k Hz)、电压( 0～ 2 0 k V)均连续可调的大功率逆变电源装置 ,并给出了试验波形     

IGBT在励磁系统中的应用

随着电力电子技术的迅猛发展,IGBT（绝缘栅双极型晶体管模块）等大功率晶体管日益得到广泛应用。本文结合陕西华电蒲域发电有限责任公司1号发电机组励磁系统存在的问题,对IGBT在励磁调节中的工作原理、使用中应注意的问题进行了分析,并提出了解决办法。     

IGBT驱动器在斩波串调系统中的应用研究

研究了以智能门极驱动模块IGD515E为核心的IGBT驱动电路在斩波式内反馈串级调速系统中的典型应用方法,可为该驱动电路的参数设计提供参考,此外给出了较为充分的试验波形予以证明该驱动电路工作稳定,具有优良的驱动和保护性能.     

IGBT直流斩波器在工矿电机车的应用

介绍IGBT直流斩波器在工矿电机车上的应用,阐述了IGBT直流斩波器电气传动工作原理、系统结构主要电路及技术特点。提出了今后的发展建议和对老车进行电气传动系统技术更新的好处。     

大功率压接型IGBT器件中的机械应力研究

机械应力是影响高压大功率压接型IGBT器件电气特性、热特性以及可靠性的关键因素之一。首先,从芯片与封装结构设计的角度,介绍单芯片以及多芯片并联机械压力分布均衡特性的研究现状及其关键设计技术。其次,从封装工艺的角度,分别对比弹性压接、刚性压接等不同焊接形式对芯片机械应力分布的影响规律。最后,结合压接封装结构特点,基于一种新型芯片终端结构,提出一种新型封装技术方案,可以有效提升单芯片以及并联芯片压力的均衡特性,为高压大容量压接型IGBT器件的设计提供参考依据。