压接式IGBT器件功率循环试验及寿命预测

发布时间：2020-06-19 22:08

【摘要】：传统的焊接式IGBT器件受到引线键合、焊接工艺问题的制约逐渐遇到了瓶颈,而压接型器件具有低热阻、抗冲击能力强、失效短路后可暂时运行等优点,有利于满足柔性直流输电对高压、大功率器件的需求。目前的研究大多通过有限元分析压接式IGBT可能存在的失效、压接式IGBT的特性,优化其性能,而从实际的加速老化试验来验证、分析器件失效演化过程的研究较少,对压接式IGBT模块的老化失效机理、寿命预测研究是压接式IGBT的安全评估和可靠性分析中亟待解决的重要问题。本文搭建了压接式IGBT功率循环试验平台,开展了不同条件的压接式IGBT加速老化试验,观察并分析了压接式IGBT的失效演化机理,并基于试验结果和失效机理提出了压接式IGBT的寿命模型。主要的研究内容如下:(1)首先介绍了压接式IGBT模块可能的主要失效机理。接着,利用COMSOL仿真软件建立了压接式IGBT模型,设置电磁热源、热膨胀和温度耦合以实现多物理场参数的耦合,最后分步骤开展电-热耦合和热-力耦合瞬态仿真,并将前者的热源功率稳态计算结果作为后者的求解初始边界条件,仿真分析发现模块的薄弱环节在于芯片的下表面,尤其是芯片下表面与下钼层接触的边角处。(2)进行了针对压接式IGBT器件的功率循环平台的设计。首先,本文分析了压接式IGBT功率循环试验平台的设计目标,然后开展了具体的硬件和软件设计,最后,通过试验测试了平台的可用性和准确性。该试验平台能够实现对直流电源、驱动的控制,数据采集和存储工作以及故障情况时的紧急停止等功能,为后续的功率循环试验奠定了基础。(3)本文分别设计了1200N和600N压力下的功率循环试验,通过对试验参数变化和物理微观现象进行分析,试验结果表明单芯片压接式IGBT模块的主要失效模式是微动磨损和栅氧化层损坏,微动磨损是压接式IGBT模块长时间尺度运行的主要失效模式,当器件老化程度较高时栅氧化层发生损坏,因为压接式IGBT芯片表面在功率循环中受到下钼片的挤压,在不断的循环过程中由于横向、纵向的微动位移使得硅材料表面的金属氧化层以及芯片内部的硅材料被破坏。该结论为后续的寿命建模提供了依据。最后,研究了采用烧结芯片与未烧结芯片器件的可靠性差别、不同压力下器件的可靠性差别。(4)本文根据试验结果对压接式IGBT模块进行了寿命预测模型的参数拟合,并根据压接式IGBT的物理特性研究了寿命预测模型的准确性;基于Morrow模型,提出一种基于能量的寿命模型,模型拟合后得到的结果符合实际的物理规律,但模型没有考虑平均结温对器件寿命的影响;Coffin-Manson改进模型,在一定压力范围内可用于压接式IGBT的寿命预测。
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN322.8
【图文】：

温度分布,压接式,IGBT模块,封装结构

图 1.3 压接式 IGBT 模块封装结构Fig.1.3 Packaging of press-pack IGBT modu结构如图 1.3 所示，主要由以下部分管芯片，考虑在实际应用中压接式芯产生影响进而影响其电特性，目前国区电极上增加一层软金属（一般为钼片，包括上钼片和下钼片，因其压力，同时对于其表面平整度的要定程度上可以弥补加工误差导致的信号；（5）陶瓷外壳，保护模块内部不T 的生产厂商主要有 ABB、TOSHIB麦的奥尔堡大学、德国的开姆尼茨互联网研究院等[20-24]。T.Poller 等通的温度分布、压力分布以及外部压力

压接式,IGBT模块,封装结构,钼片

图 2.1 压接式 IGBT 模块封装结构Fig.2.1 Packaging of press-pack IGBT mod/50A 压接式 IGBT 内部结构的几何表 2.1 3.3kV/50A 压接式 IGBT 几何参数.2.1 Characteristics of 3.3kV/50Apress-pac部分材料表面积(mm2) 厚度(电极铜 696.67 4钼片钼 184.96 1.6芯片硅 184.87 0.5钼片钼 84.75 2.0垫片银 94.59 0.凸台铜 79.13 7.1

【参考文献】