【摘要】：傳統(tǒng)的焊接式IGBT器件受到引線鍵合、焊接工藝問題的制約逐漸遇到了瓶頸,而壓接型器件具有低熱阻、抗沖擊能力強(qiáng)、失效短路后可暫時運(yùn)行等優(yōu)點,有利于滿足柔性直流輸電對高壓、大功率器件的需求。目前的研究大多通過有限元分析壓接式IGBT可能存在的失效、壓接式IGBT的特性,優(yōu)化其性能,而從實際的加速老化試驗來驗證、分析器件失效演化過程的研究較少,對壓接式IGBT模塊的老化失效機(jī)理、壽命預(yù)測研究是壓接式IGBT的安全評估和可靠性分析中亟待解決的重要問題。本文搭建了壓接式IGBT功率循環(huán)試驗平臺,開展了不同條件的壓接式IGBT加速老化試驗,觀察并分析了壓接式IGBT的失效演化機(jī)理,并基于試驗結(jié)果和失效機(jī)理提出了壓接式IGBT的壽命模型。主要的研究內(nèi)容如下:(1)首先介紹了壓接式IGBT模塊可能的主要失效機(jī)理。接著,利用COMSOL仿真軟件建立了壓接式IGBT模型,設(shè)置電磁熱源、熱膨脹和溫度耦合以實現(xiàn)多物理場參數(shù)的耦合,最后分步驟開展電-熱耦合和熱-力耦合瞬態(tài)仿真,并將前者的熱源功率穩(wěn)態(tài)計算結(jié)果作為后者的求解初始邊界條件,仿真分析發(fā)現(xiàn)模塊的薄弱環(huán)節(jié)在于芯片的下表面,尤其是芯片下表面與下鉬層接觸的邊角處。(2)進(jìn)行了針對壓接式IGBT器件的功率循環(huán)平臺的設(shè)計。首先,本文分析了壓接式IGBT功率循環(huán)試驗平臺的設(shè)計目標(biāo),然后開展了具體的硬件和軟件設(shè)計,最后,通過試驗測試了平臺的可用性和準(zhǔn)確性。該試驗平臺能夠?qū)崿F(xiàn)對直流電源、驅(qū)動的控制,數(shù)據(jù)采集和存儲工作以及故障情況時的緊急停止等功能,為后續(xù)的功率循環(huán)試驗奠定了基礎(chǔ)。(3)本文分別設(shè)計了1200N和600N壓力下的功率循環(huán)試驗,通過對試驗參數(shù)變化和物理微觀現(xiàn)象進(jìn)行分析,試驗結(jié)果表明單芯片壓接式IGBT模塊的主要失效模式是微動磨損和柵氧化層損壞,微動磨損是壓接式IGBT模塊長時間尺度運(yùn)行的主要失效模式,當(dāng)器件老化程度較高時柵氧化層發(fā)生損壞,因為壓接式IGBT芯片表面在功率循環(huán)中受到下鉬片的擠壓,在不斷的循環(huán)過程中由于橫向、縱向的微動位移使得硅材料表面的金屬氧化層以及芯片內(nèi)部的硅材料被破壞。該結(jié)論為后續(xù)的壽命建模提供了依據(jù)。最后,研究了采用燒結(jié)芯片與未燒結(jié)芯片器件的可靠性差別、不同壓力下器件的可靠性差別。(4)本文根據(jù)試驗結(jié)果對壓接式IGBT模塊進(jìn)行了壽命預(yù)測模型的參數(shù)擬合,并根據(jù)壓接式IGBT的物理特性研究了壽命預(yù)測模型的準(zhǔn)確性;基于Morrow模型,提出一種基于能量的壽命模型,模型擬合后得到的結(jié)果符合實際的物理規(guī)律,但模型沒有考慮平均結(jié)溫對器件壽命的影響;Coffin-Manson改進(jìn)模型,在一定壓力范圍內(nèi)可用于壓接式IGBT的壽命預(yù)測。
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN322.8
【圖文】：

圖 1.3 壓接式 IGBT 模塊封裝結(jié)構(gòu)Fig.1.3 Packaging of press-pack IGBT modu結(jié)構(gòu)如圖 1.3 所示，主要由以下部分管芯片，考慮在實際應(yīng)用中壓接式芯產(chǎn)生影響進(jìn)而影響其電特性，目前國區(qū)電極上增加一層軟金屬（一般為 鉬片，包括上鉬片和下鉬片，因其壓力，同時對于其表面平整度的要定程度上可以彌補(bǔ)加工誤差導(dǎo)致的信號；（5）陶瓷外殼，保護(hù)模塊內(nèi)部不T 的生產(chǎn)廠商主要有 ABB、TOSHIB麥的奧爾堡大學(xué)、德國的開姆尼茨互聯(lián)網(wǎng)研究院等[20-24]。T.Poller 等通的溫度分布、壓力分布以及外部壓力

圖 2.1 壓接式 IGBT 模塊封裝結(jié)構(gòu)Fig.2.1 Packaging of press-pack IGBT mod/50A 壓接式 IGBT 內(nèi)部結(jié)構(gòu)的幾何表 2.1 3.3kV/50A 壓接式 IGBT 幾何參數(shù).2.1 Characteristics of 3.3kV/50Apress-pac部分 材料 表面積(mm2) 厚度(電極 銅 696.67 4鉬片 鉬 184.96 1.6芯片 硅 184.87 0.5鉬片 鉬 84.75 2.0墊片 銀 94.59 0.凸臺 銅 79.13 7.1

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 趙東元;劉江;;壓接式IGBT在電力系統(tǒng)應(yīng)用特性分析[J];電力電子技術(shù);2015年12期

2 賴偉;陳民鈾;冉立;王學(xué)梅;徐盛友;;老化試驗條件下的IGBT失效機(jī)理分析[J];中國電機(jī)工程學(xué)報;2015年20期

3 李世平;黃蓉;奉琴;萬超群;陳彥;;IGBT模塊功率循環(huán)能力與可靠性試驗[J];機(jī)車電傳動;2015年03期

4 劉賓禮;劉德志;唐勇;李暉;;基于IGBT柵極疲勞機(jī)理的閾值電壓可靠性模型研究[J];電力電子技術(shù);2015年04期

5 朱錦;尹霞;;功率器件壽命預(yù)測模型[J];電子元件與材料;2015年03期

6 李巖;羅雨;許樹楷;周月賓;袁志昌;;柔性直流輸電技術(shù):應(yīng)用、進(jìn)步與期望[J];南方電網(wǎng)技術(shù);2015年01期

7 毛婭婕;周雒維;杜雄;孫鵬菊;;IGBT加速老化實驗研究[J];電源技術(shù);2014年12期

8 馬為民;吳方R

本文編號：2721403