【摘要】：隨著功率變流技術(shù)在航空航天、新能源發(fā)電、電動(dòng)汽車、軌道交通等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)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(guān)速度快、損耗小、驅(qū)動(dòng)電流小、控制電路簡單等優(yōu)勢(shì)而成為目前應(yīng)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(nèi)部寄生參數(shù)的改變以及引起外部特征信號(hào)的變化規(guī)律對(duì)于模塊的失效監(jiān)測(cè)、可靠性的提高及整個(gè)裝置的安全運(yùn)行都至關(guān)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(duì)IGBT模塊中鍵合線的可靠性問題,進(jìn)行理論研究、仿真及實(shí)驗(yàn)分析,主要研究內(nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn)如下:首先,以SKM75GB12T4IGBT模塊為研究對(duì)象,建立其3D模型,在ANSYS仿真軟件中對(duì)其分別進(jìn)行電-熱場和熱-應(yīng)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(guān)系,并掌握鍵合線的熱特性對(duì)于模塊可靠性的影響。其次,探究鍵合線脫落對(duì)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(duì)模塊的寄生參數(shù)進(jìn)行測(cè)量和提取,并進(jìn)行比較驗(yàn)證,得到鍵合線脫落不同程度后內(nèi)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(duì)開關(guān)波形的影響。因寄生參數(shù)的變化會(huì)直接導(dǎo)致外部可測(cè)量電信號(hào)發(fā)生改變,搭建實(shí)驗(yàn)電路,得到鍵合線脫落對(duì)外部電信號(hào)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(nèi)部互連材料等效電阻的影響來精確估計(jì)結(jié)溫的方法�；阪I合線脫落對(duì)外部可測(cè)電信號(hào)的間接影響,選用通態(tài)壓降V_(ce_on)作為監(jiān)測(cè)IGBT模塊鍵合線失效的參數(shù),由于V_(ce_on)同時(shí)受到結(jié)溫T_j和集電極電流I_c的影響,利用這三個(gè)參數(shù)建立鍵合線失效監(jiān)測(cè)的查找表,使得鍵合線的失效監(jiān)測(cè)更為精確。最后,總結(jié)全文內(nèi)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(xué)位授予單位】：天津理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TN322.8
【圖文】：

圖 1-1 IGBT 模塊去除封裝內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(jí)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(duì)模塊的可靠性起到了最直接的影響[9]。在多芯片封裝技術(shù)中，鍵合引線互連用最廣泛的一種方法，且根據(jù)文獻(xiàn)[10]統(tǒng)計(jì)，在引起半導(dǎo)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(duì)于了解整個(gè)模塊的可靠性來說是的。值得注意的是，當(dāng) IGBT 模塊結(jié)溫波動(dòng)范圍較小時(shí)，更容易導(dǎo)致焊料層熱阻會(huì)增大，散熱性能會(huì)降低，導(dǎo)致模塊失效或加速鍵合線故障。當(dāng)結(jié)溫波動(dòng)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(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 IGBT 功率模塊的失效主要分為兩大類：一類是芯片級(jí)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(shù)中，鍵合的一種方法，且根據(jù)文獻(xiàn)[10]統(tǒng)計(jì)，在引起半導(dǎo)體器件失效 49%。因此，掌握鍵合線的可靠性對(duì)于了解整個(gè)模塊的可靠注意的是，當(dāng) IGBT 模塊結(jié)溫波動(dòng)范圍較小時(shí)，更容易導(dǎo)致大，散熱性能會(huì)降低，導(dǎo)致模塊失效或加速鍵合線故障。當(dāng)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(lǐng)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(yīng)變的疲勞模型、基于斷裂力學(xué)的疲勞模型、積累的疲勞模型、基于累積蠕變應(yīng)變（應(yīng)變密度）的疲勞模型等[32]-[35]。（2）鍵合線失效研究現(xiàn)狀I(lǐng)GBT 功率模塊內(nèi)部半導(dǎo)體芯片（IGBT 芯片或二極管芯片）之間，半導(dǎo)體C 基板之間都是通過較細(xì)的鋁鍵合線連接在一起。鍵合線在硅芯片工作時(shí)承的電流，硅芯片的功耗和鍵合線電阻自加熱產(chǎn)生的溫度波動(dòng)會(huì)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(huì)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(dǎo)致器件發(fā)轉(zhuǎn)的失效。研究表明鍵合線與芯片觸點(diǎn)之間的剪切應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致鍵合線出現(xiàn)過鍵合等隱患，從而誘發(fā)鍵合線進(jìn)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(xiàn)[36]研究發(fā)現(xiàn)，鍵性應(yīng)變隨其直徑的增大而增大，但會(huì)隨鍵合線的拱高增大而減小。文獻(xiàn)[37]指出塊運(yùn)行在高溫度梯度時(shí)，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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