基于红外测试和数值模拟的功率半导体器件IGBT热机械性能分析

发布时间：2020-06-11 19:08

【摘要】：电能是世界上最重要的能源之一。从电网得到的工频电能需要经过转换,才能满足千变万化的用电装置的需要。绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)由于具有输入阻抗高、开关速度快、电流密度大、饱和压降低、电流处理能力强等优点,是实现电能转换和控制的最先进的电力电子器件。大功率IGBT模块往往工作在高开关频率和大电流的条件下,这使得IGBT芯片具有很大的功率损耗,造成芯片结温的上升。温度对IGBT的可靠性具有较大影响,一方面,高温会直接烧毁IGBT芯片,造成器件的失效;另一方面,由于IGBT模块内不同材料的热膨胀系数不同,波动的温度会使各层之间产生热应力,热应力的反复冲击将引发裂纹的产生和扩展,最终导致器件的失效。因此,研究功率半导体器件IGBT的热机械性能,对于提高IGBT模块的可靠性具有重要意义。本文采用实验和数值模拟相结合的方法,对功率半导体器件IGBT模块的热机械性能进行了详细的分析,研究内容如下:(1)搭建功率循环实验平台,进行功率循环实验。本文分别设计了直流(Direct Current,DC)功率循环实验和脉宽调制(Pulse Width Modulation,PWM)功率循环实验的主电路,根据IGBT模块的功率等级和实验原理,搭建了功率循环实验平台,进行了不同工况下的DC功率循环实验和PWM功率循环实验。实验过程中对IGBT模块的特征参量如饱和压降、壳温、集电极电流进行监测。(2)测量不同实验条件下IGBT模块的温度场。基于红外热成像仪的外部信号触发拍摄功能,采用同步测温法、变积分时间测温法、延迟测温法,对IGBT模块在不同工况下的温度场进行了观测。通过对不同实验条件下的测温结果进行对比分析,发现DC实验和PWM实验条件下,芯片结温的分布、结温上升速率、结温波动范围均有较大差别。通过改变红外热成像仪拍摄的积分时间,测得了IGBT模块高频开关状态下一次开通关断对芯片结温的影响。(3)进行电-热-机械有限元数值模拟,研究结温变化对IGBT模块应力的影响。首先进行电-热分析,结合实验测量结果,将IGBT模块的开关功率损耗考虑进去,获得了DC实验条件下和PWM实验条件下模块的电流密度分布和温度场。然后,在电-热分析的基础上,进行了热-机械分析,得到了不同工况下IGBT芯片的应力分布和键合点应力变化过程。结果表明,Al键合线的最大应力出现在键合点端部,芯片结温的变化会导致应力的波动,应力值的变化与芯片结温的变化是同步的。当芯片结温升高时,键合点应力会急剧增大。
【图文】：

领域,变流装置,金属氧化物半导体场效应晶体管,战略性产业

第 1 章绪论1.1 课题研究背景及意义绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）是 20 世纪 8年代中期发展起来的一种复合全控型电压驱动式功率半导体器件，它不但具有金属氧化物半导体场效应晶体管（Metal Oxide Semiconductor Field Effect TransistoMOSFET）输入阻抗高、开关速度快、驱动功率小、驱动电路简单等优点，还具有双极型晶体管（Bipolar Junction Transistor, BJT）电流密度大、饱和压降低、电流处理能力强等优点，是实现电能转换和控制的最先进的电力电子器件之一，被誉为现代工业变流装置的“CPU”[1]。正是由于其优越的特性，IGBT 成为各类大功率电力电子变流装置中的主导功率元件，在轨道交通、高速列车、新能源汽车、风力发电等战略性产业得到广泛应用[2, 3]，如图 1-1 所示。

示意图,剖面结构,绝缘衬底,示意图

北京工业大学工学硕士学位论文到绝缘衬底表面。绝缘衬底作为电路的支撑结构，，其下表面为 Cu，上表面为形成的电路板结构，根据设计模式刻蚀而成。芯片固定后，进行引线键合，片连接到衬底上。最后，将经过芯片焊接和引线键合的绝缘衬底焊接到金属（或散热器）上。此外，功率模块还包括模块与外部连接的接线端子，以及硅环氧树脂和外壳等保护结构[4]。可以看出，IGBT 模块包含多层材料，结构复杂。CTE (ppm/K)Al 键合线
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN322.8

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