本文關(guān)鍵詞： IGBT 串并聯(lián) 封裝 di/dt 可靠性　出處：《西南交通大學(xué)》2017年碩士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：脈沖功率源是高功率微波領(lǐng)域主要的研究方向之一,緊湊、固態(tài)化是脈沖功率技術(shù)目前重要的發(fā)展方向,脈沖功率系統(tǒng)的性能往往受開關(guān)性能的影響。以半導(dǎo)體開關(guān)作為系統(tǒng)主開關(guān),逐漸成為脈沖功率源的發(fā)展方向,功率IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)器件也因此得到了廣泛的關(guān)注。單個IGBT器件的電壓和電流的承受能力有限,不能滿足脈沖功率系統(tǒng)的要求,對IGBT器件進(jìn)行串并聯(lián)操作,會造成系統(tǒng)的體積和回路電感增大。隨著半導(dǎo)體技術(shù)與制造工藝的發(fā)展,采用裸芯陣列封裝,可以有效地解決上述問題。因此,基于IGBT的封裝設(shè)計是脈沖功率系統(tǒng)研制的關(guān)鍵問題之一。本文在已有研究的基礎(chǔ)上,設(shè)計了 IGBT串并聯(lián)封裝模塊,并進(jìn)行可靠性仿真分析。首先介紹了以IGBT作為主開關(guān)的脈沖功率系統(tǒng)研究現(xiàn)狀和IGBT裸芯串并聯(lián)封裝的發(fā)展歷程,分析其中的優(yōu)缺點及存在的關(guān)鍵問題。對IGBT的基本特性、工作原理和對驅(qū)動電路的要求進(jìn)行介紹,調(diào)研分析了 IGBT串并聯(lián)均壓均流電路,并對比分析了封裝材料的性能和芯片表面互連材料特性。然后對IGBT單管性能進(jìn)行了詳細(xì)的分析,主要包括器件的選型、極限電流及耐壓分析等。采用平面變壓器為基礎(chǔ)的電壓型驅(qū)動方式,設(shè)計IGBT的快速驅(qū)動電路,并通過實驗測試驗證了設(shè)計方案的可行性。實驗結(jié)果表明,在工作電壓1kV,負(fù)載3.8Ω條件下,集電極電流上升速率di/dt(10%～90%)達(dá)到9.75A/ns。在此基礎(chǔ)上,設(shè)計符合脈沖功率系統(tǒng)中開關(guān)要求的串聯(lián)均壓電路和反向電壓保護(hù)電路,并對電路中元器件的選型進(jìn)行介紹。設(shè)計5kV、1kA的IGBT封裝模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu),整個IGBT封裝模塊尺寸為68mm*55mm*5mm,并對封裝模塊進(jìn)行寄生參數(shù)提取和電氣絕緣分析。最后為評估封裝模塊的可靠性,建立IGBT模塊損耗模型和熱仿真模型,對封裝模塊進(jìn)行熱分析,并對封裝模塊較為薄弱的焊接層進(jìn)行熱應(yīng)力分析,主要包括芯片焊接材料、基板焊接材料的形變和非彈性應(yīng)變,評估焊接材料的可靠性。通過IGBT模塊的失效機理,分別從芯片間鍵合引線、焊接層和封裝模塊三個方面對IGBT模塊進(jìn)行壽命預(yù)測,仿真計算結(jié)果表明:IGBT封裝模塊的工作循環(huán)次數(shù)為3.2e9。
[Abstract]:Pulse power source is one of the main research directions in the field of high power microwave. Compact and solid state is an important development direction of pulse power technology at present. The performance of the pulse power system is often affected by the switching performance. The semiconductor switch as the main switch of the system has gradually become the development direction of the pulse power source. Power IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor). The voltage and current tolerance of a single IGBT device is limited. It can not meet the requirements of the pulse power system. Series-parallel operation of IGBT devices will result in the increase of system volume and loop inductance. With the development of semiconductor technology and manufacturing technology, bare core array packaging is adopted. Therefore, the packaging design based on IGBT is one of the key problems in the development of pulse power system. The IGBT series-parallel encapsulation module is designed. Firstly, the research status of pulse power system with IGBT as the main switch and the development course of IGBT bare core series-parallel packaging are introduced. The advantages and disadvantages and the key problems are analyzed. The basic characteristics, working principle and driving circuit requirements of IGBT are introduced. The IGBT series-parallel voltage-sharing circuit is investigated and analyzed. The performance of packaging material and chip surface interconnect material are compared and analyzed. Then the performance of IGBT single tube is analyzed in detail including the selection of devices. The design of IGBT fast drive circuit based on planar transformer is carried out, and the feasibility of the design scheme is verified by experimental test. The experimental results show that the design scheme is feasible. Under the condition of working voltage of 1 kV and load of 3.8 惟, the collector current rising rate dir / DT ~ (10) reaches 9.75 A / N ~ (s). The series voltage sharing circuit and reverse voltage protection circuit are designed to meet the switch requirements in the pulse power system. The selection of components in the circuit is introduced and 5 kV is designed. The internal structure of 1kA IGBT package module, the size of the whole IGBT package module is 68mm / 55mm / 5mm. In order to evaluate the reliability of the package module, the loss model and thermal simulation model of the IGBT module are established, and the thermal analysis of the package module is carried out. The thermal stress of the welding layer which is weak in the package module is analyzed, including chip welding material, substrate welding material deformation and inelastic strain. Evaluate the reliability of welding material. Through the failure mechanism of IGBT module, predict the life of IGBT module from three aspects: interchip bonding lead, welding layer and packaging module. The simulation results show that the working cycle of the package module is 3.2e9.
【學(xué)位授予單位】：西南交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TN322.8

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 于曉飛;;脈沖功率技術(shù)在環(huán)境工程領(lǐng)域的應(yīng)用[J];民營科技;2016年09期

2 任會會;聶叢偉;崔東輝;;淺談LED封裝鍵合線的選用及趨勢[J];科技風(fēng);2016年11期

3 劉猛;王慶峰;劉慶想;;開關(guān)電源中IGBT模塊散熱分析[J];強激光與粒子束;2016年07期

4 王春雷;鄭利兵;方化潮;韓立;;IGBT模塊的雜散參數(shù)計算與封裝設(shè)計研究[J];智能電網(wǎng);2015年04期

5 江偉華;;高重復(fù)頻率脈沖功率技術(shù)及其應(yīng)用:(7)主要技術(shù)問題和未來發(fā)展趨勢[J];強激光與粒子束;2015年01期

6 雷宇;邱劍;劉克富;;150kV全固態(tài)高壓脈沖發(fā)生器設(shè)計[J];強激光與粒子束;2012年03期

7 汪波;胡安;唐勇;陳明;;IGBT集電極漏電流特性及影響分析[J];電力電子技術(shù);2011年10期

8 汪波;胡安;唐勇;陳明;;IGBT關(guān)斷瞬態(tài)過壓擊穿特性研究[J];電力電子技術(shù);2011年09期

9 趙燕峰;曹國榮;蔣耀生;許浩;;風(fēng)電變流器中IGBT的可靠性研究[J];電力電子技術(shù);2011年08期

10 杜兵;殷景華;劉曉為;;功率載荷下疊層芯片封裝熱應(yīng)力分析[J];哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報;2007年05期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前2條

1 劉洪春;有源電力濾波器小波檢測及補償控制的研究[D];河北工業(yè)大學(xué);2012年

2 王慶峰;緊湊型重復(fù)頻率脈沖功率源的探索研究[D];西南交通大學(xué);2011年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 張薷方;基于有限元法的IGBT模塊封裝散熱性能及熱應(yīng)力的仿真研究[D];重慶大學(xué);2015年

2 王賀;IGBT功率模塊結(jié)溫探測和壽命預(yù)測[D];河北工業(yè)大學(xué);2015年

3 劉春玉;IGBT驅(qū)動器的設(shè)計與實現(xiàn)[D];武漢理工大學(xué);2013年

4 魯光祝;IGBT功率模塊壽命預(yù)測技術(shù)研究[D];重慶大學(xué);2012年

5 梁昊;IGBT串聯(lián)模塊化的研究[D];浙江大學(xué);2012年

6 范好亮;大容量多重化多晶硅用DC-DC變換器的研究[D];華北電力大學(xué);2011年

7 馮元偉;高重復(fù)頻率固態(tài)矩形脈沖調(diào)制技術(shù)研究[D];中國工程物理研究院;2011年

8 何延強;功率VDMOS器件失效分析與可靠性研究[D];哈爾濱理工大學(xué);2010年

9 蔣臣;基于MOSFETs串聯(lián)的研究[D];華中科技大學(xué);2008年

10 吳異凡;基于全固態(tài)器件串并聯(lián)技術(shù)的脈沖功率電源[D];華中科技大學(xué);2007年

，

本文編號：1475997