IGBT模块热行为及可靠性研究

绝缘栅双极晶体管被人们称为“最完善”的新一代电力电子器件，随着研制 的日益完善，它已经作为电力电子设备的核心器件，并和MCT、SIT、SITH共 同推动了现代电力电子技术的深刻变革，即被人们称谓的第二次电子工业革命。 模块化是器件向高压大电流发展的必然，IGBT模块在当前电力电子器件市 场占据着绝对主导地位，因之是目前竞争最激烈的热点。模块热性能是目前影响 IGBT进一步发展的主要因素，也是目前IGBT模块生产中急待解决的问题。 功率循环过程中IGBT模块多层结构的热应力是影响模块长期可靠性的最重 要因素，但是目前市场上IGBT模块的功率循环寿命都不能满足实际需要，而且 这方面的研究报道甚少，这无疑大大影响了IGBT模块的实际应用，研究模块封 装热应力及最佳应力匹配设计对提高IGBT模块长期可靠性具有重要的理论及现 实意义。 热阻是器件热学特性的直接表征，也是电力电子系统和设备研制设计中最重 要的设计依据。迄今为止，国内外尚未见到有关IGBT模块热阻测量方法及测试 系统的报道，市场上也没有出现商品化的IGBT模块热阻测试仪，IGBT模块热 阻测量方法研究具有巨大的科研学术价值，商品化的热阻测试仪是目前国内外市 场急需。 本文深入系统研究了IGBT的器件特性及工作原理；进行了IGBT模块多层 结构的热应力模拟、热应力失效、模块最佳应力封装设计及模块热应力作用下的 失效情况的研究，进而提出了IGBT模块最佳应力封装设计模型，该设计模型能 够使硅芯片及焊料层等封装结构中的脆性材料所受热应力达到最小，从而达到了 提高模块长期可靠性的目的，并利用精心设计的温度循环实验首次准动态的观测 到模块在热应力作用下诱发的焊料层蠕变失效及芯片破裂失效；本文还论述了 IGBT的高温及低温工作特性，这对IGBT的合理利用具有指导意义；作者在深 入研究器件热阻的基础上，依据IGBT模块结构特点及工作机理，研究出IGBT 模块的热阻测量方法，在结温校准方法的基础上，利用现代计算机技术，独立研 制出了热阻测试设备，该测试设备利用电学法测量模块结温，通过数据采集、 A/D转换和接口通讯传输给计算机，同时，还开发出一套计算热阻的数据处理软 件，利用这一套IGBT模块热阻测试设备，联机进行了IGBT模块热阻的测量， 在测试过程中设备运行正常并测出了较为理想的模块热阻值。