【摘要】：隨著功率變流技術在航空航天、新能源發(fā)電、電動汽車、軌道交通等領域的廣泛應用,其在各系統(tǒng)中的核心作用也凸顯出來。在功率變換裝置中功率器件是系統(tǒng)中最脆弱的部分,因此,功率器件的可靠性問題受到越來越廣泛的重視。功率器件中常見的是絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor,IGBT),因其具有開關速度快、損耗小、驅動電流小、控制電路簡單等優(yōu)勢而成為目前應用最為廣泛的功率器件。研究IGBT模塊老化、失效的過程,掌握模塊失效后內部寄生參數(shù)的改變以及引起外部特征信號的變化規(guī)律對于模塊的失效監(jiān)測、可靠性的提高及整個裝置的安全運行都至關重要。鍵合線是IGBT模塊中最易發(fā)生故障的部位,本文將針對IGBT模塊中鍵合線的可靠性問題,進行理論研究、仿真及實驗分析,主要研究內容及創(chuàng)新點如下:首先,以SKM75GB12T4IGBT模塊為研究對象,建立其3D模型,在ANSYS仿真軟件中對其分別進行電-熱場和熱-應力場的綜合分析,掌握在IGBT模塊工作中,鍵合線的受熱及受力情況。通過子模型分析,了解鍵合線脫落面積與器件溫度的關系,并掌握鍵合線的熱特性對于模塊可靠性的影響。其次,探究鍵合線脫落對模塊中寄生參數(shù)的影響,利用精密阻抗分析儀和Ansoft Q3D Extractor軟件對模塊的寄生參數(shù)進行測量和提取,并進行比較驗證,得到鍵合線脫落不同程度后內部寄生參數(shù)的變化情況。在saber軟件中搭建仿真電路模型,分析模塊中寄生參數(shù)對開關波形的影響。因寄生參數(shù)的變化會直接導致外部可測量電信號發(fā)生改變,搭建實驗電路,得到鍵合線脫落對外部電信號的影響,并做出規(guī)律性分析,為后續(xù)研究提供理論依據(jù)。再次,提出了一種考慮IGBT模塊內部互連材料等效電阻的影響來精確估計結溫的方法�；阪I合線脫落對外部可測電信號的間接影響,選用通態(tài)壓降V_(ce_on)作為監(jiān)測IGBT模塊鍵合線失效的參數(shù),由于V_(ce_on)同時受到結溫T_j和集電極電流I_c的影響,利用這三個參數(shù)建立鍵合線失效監(jiān)測的查找表,使得鍵合線的失效監(jiān)測更為精確。最后,總結全文內容,展望IGBT模塊鍵合線的可靠性問題在日后的研究與發(fā)展。
【學位授予單位】：天津理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TN322.8
【圖文】：

圖 1-1 IGBT 模塊去除封裝內部結構圖目前，將 IGBT 功率模塊的失效主要分為兩大類：一類是芯片級失效，另一類失效，如圖 1-2 所示。研究表明，鍵合線與焊料層作為 IGBT 模塊中最為脆弱對模塊的可靠性起到了最直接的影響[9]。在多芯片封裝技術中，鍵合引線互連用最廣泛的一種方法，且根據(jù)文獻[10]統(tǒng)計，在引起半導體器件失效的原因中失效占到 49%。因此，掌握鍵合線的可靠性對于了解整個模塊的可靠性來說是的。值得注意的是，當 IGBT 模塊結溫波動范圍較小時，更容易導致焊料層熱阻會增大，散熱性能會降低，導致模塊失效或加速鍵合線故障。當結溫波動鍵合線脫落則為模塊失效主要類型。

圖 1-1 IGBT 模塊去除封裝內部結構圖 IGBT 功率模塊的失效主要分為兩大類：一類是芯片級失效圖 1-2 所示。研究表明，鍵合線與焊料層作為 IGBT 模塊中可靠性起到了最直接的影響[9]。在多芯片封裝技術中，鍵合的一種方法，且根據(jù)文獻[10]統(tǒng)計，在引起半導體器件失效 49%。因此，掌握鍵合線的可靠性對于了解整個模塊的可靠注意的是，當 IGBT 模塊結溫波動范圍較小時，更容易導致大，散熱性能會降低，導致模塊失效或加速鍵合線故障。當落則為模塊失效主要類型。

失效研究主要是從材料疲勞分析領域來探究焊料層的損傷程度，已提出的用于層疲勞的主要模型有：基于塑性應變的疲勞模型、基于斷裂力學的疲勞模型、積累的疲勞模型、基于累積蠕變應變（應變密度）的疲勞模型等[32]-[35]。（2）鍵合線失效研究現(xiàn)狀IGBT 功率模塊內部半導體芯片（IGBT 芯片或二極管芯片）之間，半導體C 基板之間都是通過較細的鋁鍵合線連接在一起。鍵合線在硅芯片工作時承的電流，硅芯片的功耗和鍵合線電阻自加熱產生的溫度波動會限制鍵合線承載力。為了提高鍵合線的可靠性及電流承載能力，工藝上一般采用多根引線并聯(lián)配鍵合線，這樣可以保證在一根鍵合線發(fā)生故障后，電流可以通過其他引線流也會增加其他鍵合線承載電流的壓力，加速正常鍵合線故障，最終導致器件發(fā)轉的失效。研究表明鍵合線與芯片觸點之間的剪切應力會導致鍵合線出現(xiàn)過鍵合等隱患，從而誘發(fā)鍵合線進一步失效，這些問題也可能是由于鍵合線在制造生的工藝誤差引起。鍵合線失效示意圖如圖 1-5 所示。文獻[36]研究發(fā)現(xiàn)，鍵性應變隨其直徑的增大而增大，但會隨鍵合線的拱高增大而減小。文獻[37]指出塊運行在高溫度梯度時，主要是由鍵合線翹起和脫落引發(fā)的失效，熱阻值基本要表現(xiàn)在外部特征參數(shù)通態(tài)壓降 Vce的增大。

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本文編號：2806378