纳米银烧结压接封装IGBT的长期可靠性研究

高压大功率压接型绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistors,IGBT)器件是柔性直流输电系统大容量换流阀的关键部件,其可靠性直接影响电力装备和输电系统的安全稳定运行。压接结构导致IGBT器件组件界面间电热接触性能不佳,研究人员利用纳米银焊膏开发出烧结封装IGBT以期克服对应问题,但其长期可靠性尚未得到验证。该文以国产3.3k V/50A单芯片银烧结压接封装IGBT器件为研究对象,建立直流加速老化实验平台以考核银烧结封装对国产压接IGBT器件的长期可靠性影响。然后,开展国产压接封装IGBT的功率循环加速老化实验,分析烧结封装IGBT器件的失效结果并与全压力封装IGBT器件实验结果进行对比。最后,分析烧结封装IGBT纳米银焊料熔融的原因并探究IGBT器件失效瞬间导通电压急剧上升的原因,获取银烧结压接封装IGBT器件的性能优势及潜在缺陷。实验结果表明,银烧结封装可以降低压接型IGBT器件的导通电压和通态损耗,减缓IGBT芯片与发射极钼层间的接触磨损,提升器件使用寿命。     

柔直换流阀用压接式IGBT器件物理场建模及内部压强分析

压接式IGBT器件是柔性直流换流阀的核心,器件内部压强分布直接影响器件及系统可靠性,而内部压强又受各种材料及复合应力相互耦合作用,针对不同应力耦合效果及其对内部压强的影响,进行压接式IGBT器件物理场模型仿真以及器件内部最大压强分布趋势的研究。首先,基于3.3 kV/50 A压接式IGBT器件实际结构,建立了多物理场模型,分析了机械、机-热和机-热-电不同耦合模型下器件内部压强分布的差异,并获取了器件承受内部最大压强的薄弱环节及各种内部应力作用的耦合效果。然后,基于机-热-电耦合模型,分析了不同环境温度、外部压力、导通电流对压接式IGBT器件内部薄弱层最大压强及性能的影响。最后,建立了压接式IGBT器件功率循环平台,通过恒导通工况和功率循环实验验证了机-热-电耦合模型的有效性和薄弱层分析的合理性。研究结果表明,机-热-电耦合模型能更好地表征压接式IGBT器件多应力耦合作用效果,内部最大压强的薄弱环节为IGBT芯片与发射极钼层间,且内部最大压强随环境温度、外加压力和导通电流的增加而增加。     

计及内部材料疲劳的压接型IGBT器件 可靠性建模与分析

大功率压接型IGBT器件更适合柔性直流输电装备应用工况,必然对压接型绝缘栅极晶体管（IGBT）器件可靠性评估提出要求。提出计及内部材料疲劳的压接型IGBT器件可靠性建模方法,首先,建立单芯片压接型IGBT器件电-热-机械多物理场仿真模型,通过实验验证IGBT仿真模型的有效性;其次,考虑器件内部各层材料的疲劳寿命,建立单芯片压接型IGBT器件可靠性模型,分析了单芯片器件各层材料薄弱点;最后针对多芯片压接型IGBT器件实际结构,建立多芯片压接型IGBT器件多物理场仿真模型,分析器件应力分布,并对各芯片及多芯片器件故障率进行计算。结果表明,压接型IGBT器件内部的温度、von Mises 应力分布不均,最大值分别位于IGBT芯片和发射极钼层接触的轮廓线边缘;多芯片器件内应力分布不均会导致各芯片可靠性有所差异,边角位置处芯片表面应力最大,可靠性最低。     

大功率压接型IGBT器件中的机械应力研究

机械应力是影响高压大功率压接型IGBT器件电气特性、热特性以及可靠性的关键因素之一。首先,从芯片与封装结构设计的角度,介绍单芯片以及多芯片并联机械压力分布均衡特性的研究现状及其关键设计技术。其次,从封装工艺的角度,分别对比弹性压接、刚性压接等不同焊接形式对芯片机械应力分布的影响规律。最后,结合压接封装结构特点,基于一种新型芯片终端结构,提出一种新型封装技术方案,可以有效提升单芯片以及并联芯片压力的均衡特性,为高压大容量压接型IGBT器件的设计提供参考依据。     

大功率压接型IGBT器件中的机械应力研究

机械应力是影响高压大功率压接型IGBT器件电气特性、热特性以及可靠性的关键因素之一。首先,从芯片与封装结构设计的角度,介绍单芯片以及多芯片并联机械压力分布均衡特性的研究现状及其关键设计技术。其次,从封装工艺的角度,分别对比弹性压接、刚性压接等不同焊接形式对芯片机械应力分布的影响规律。最后,结合压接封装结构特点,基于一种新型芯片终端结构,提出一种新型封装技术方案,可以有效提升单芯片以及并联芯片压力的均衡特性,为高压大容量压接型IGBT器件的设计提供参考依据。     

压接式IGBT和晶闸管器件失效模式与机理研究综述

高压大容量压接式绝缘栅双极型晶体管（insulated gate bipolar transistor,IGBT）器件和晶闸管器件是高压直流输电工程中的核心器件，对能源的高效利用具有重要意义。IGBT和晶闸管等器件可靠性已成为电工装备乃至整个电力系统能够稳定可靠运行的关键问题。首先，从压接式器件传统封装结构入手，介绍了压接式器件的弹簧式多芯片封装和凸台式多芯片/单芯片封装，对比了3种封装结构的性能。其次，阐述了压接式器件封装级失效模式与机理，结果表明热膨胀系数不匹配是封装级失效的最主要原因。同时，也对IGBT和晶闸管芯片级失效做了梳理，结果表明电气过应力是芯片级失效的主要原因。然后，简单阐述了压接式器件的新型封装结构与技术。最后，展望了压接式器件未来可能的研究重点。     

压接型IGBT芯片动态特性实验平台设计与实现

压接型IGBT芯片在正常的运行工况下承受着电-热-力多物理量的综合作用,研究电-热-力影响下的IGBT芯片动态特性对于指导IGBT芯片建模以及规模化IGBT并联封装设计具有重要意义.为了全面获得电-热-力综合影响下压接型IGBT芯片的动态特性,该文结合双脉冲测试电路原理,研制出具备电-热-力灵活调节的压接型IGBT芯片动态特性实验平台.通过对动态特性实验平台关键问题进行有限元仿真计算,实现平台回路寄生电感、IGBT芯片表面压力分布及机械夹具温度分布的优化设计.在此基础上建立压接型IGBT芯片动态特性实验平台,对实验平台进行综合调试,结果表明,该文所设计的实验平台具有寄生电感小、IGBT芯片表面压力分布均衡及机械夹具各组件温度分布合理的特点,可以满足电-热-力综合影响因素下压接型IGBT芯片动态特性实验的需求.     

压接型IGBT器件封装退化监测方法综述

压接型IGBT器件是智能电网中大容量电力电子装备的基础核心器件,其可靠性直接关系到装备及电网的运行安全,而封装失效是其主要失效模式,封装退化监测是实现其故障诊断、状态预测及智能运维的关键.针对现有研究大多侧重于传统焊接型IGBT器件封装退化监测的问题,该文以压接型IGBT器件为研究对象,首先,介绍压接型IGBT器件封装结构;然后,系统分析微动磨损失效、栅氧化层失效、接触面微烧蚀失效、边界翘曲失效、弹簧失效、短路失效、开路失效共七种封装失效模式及对应的封装退化监测方法,并提出现有监测方法存在的问题;最后,从封装退化表征及评估、非接触式监测、高灵敏度监测三个方面,展望压接型IGBT器件封装退化监测新思路.     

压接型高压IGBT门极驱动信号演化规律及失效形式研究

压接型高压IGBT是柔性直流输电用模块化多电平换流器（modular multilevel converter,MMC）中的核心器件,其在长期运行中逐渐发生热老化并最终失效,影响着MMC的运行性能。利用压接型高压IGBT的门极驱动信号演化规律监测器件状态对于是实现MMC子模块状态监测的重要手段。文中首先搭建了压接型IGBT功率循环试验平台,并在功率循环试验过程中定期测试器件门极驱动信号波形。结果表明随着老化循环次数的增加,压接型IGBT门极驱动电压上升沿米勒平台时间长度增大,门极驱动电流下降沿凹槽位置滞后。其次,对热老化失效以后的压接型IGBT芯片表面进行观测,发现芯片发射极门极氧化层附件出现裂纹,这一热老化失效形式是门极驱动信号变化的主要原因。最后,根据压接型IGBT内部多物理场耦合关系建立了有限元仿真模型,计算结果表明热应力在附加金属层与下钼层接触界面的边缘区域数值较大,在长期交变的应力疲劳后造成门极氧化层裂纹萌发,逐渐导致门极失效。文中研究结果说明了利用压接型高压IGBT门极驱动信号演化规律在线监测其门极老化状态具有一定意义。     

柔直用压接型高压IGBT导通压降演化规律研究

MMC子模块中的高压功率器件绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)在长期运行工况下逐渐发生热老化,最终导致器件失效。因此,研究IGBT的状态监测技术对于MMC的可靠运行具有重要意义。目前的文献压接型IGBT导通压降演化规律研究较少,文中搭建了压接型IGBT功率循环试验平台,并在功率循环试验过程中同时监测得到不同热老化程度下的器件导通压降和门极电流,利用试验得到的结温与门极电流的线性关系将导通压降归一化到同一结温下,从而剥离结温对导通压降的影响。结果表明,导通压降随着热老化程度呈现上升的趋势,变化范围大致在10%以内。最后,将老化失效的两个IGBT解体,发现器件内部物理结构发生变化,芯片表面发现局部烧蚀甚至熔化。     

多芯片并联压接式IGBT中温度不均对电流分布的影响

多芯片并联的压接式IGBT器件是柔性直流输电设备中的关键部件,因制造工艺、回路寄生参数和热耦合问题使得器件内部应力分布不均,造成器件不均匀老化,使得内部温度不均程度加剧,进而使得电流分配不均。围绕不同温度差异下导致的电流分布不均问题展开研究。首先,对造成IGBT器件并联不均流的原因以及温度对不均流特性的作用进行分析。然后,利用单芯片压接式IGBT器件并联模拟多芯片器件内部的温度分布不均情况,进行温度分布不均匀程度对电流分配影响的实验。最后,通过实验验证并联器件间温度差异与不均流程度的关系。所提方法为提高器件的运行可靠性和对压接式IGBT失效机理认知奠定基础。     

多芯片并联压接式IGBT中温度不均对电流分布的影响

多芯片并联的压接式IGBT器件是柔性直流输电设备中的关键部件,因制造工艺、回路寄生参数和热耦合问题使得器件内部应力分布不均,造成器件不均匀老化,使得内部温度不均程度加剧,进而使得电流分配不均。围绕不同温度差异下导致的电流分布不均问题展开研究。首先,对造成IGBT器件并联不均流的原因以及温度对不均流特性的作用进行分析。然后,利用单芯片压接式IGBT器件并联模拟多芯片器件内部的温度分布不均情况,进行温度分布不均匀程度对电流分配影响的实验。最后,通过实验验证并联器件间温度差异与不均流程度的关系。所提方法为提高器件的运行可靠性和对压接式IGBT失效机理认知奠定基础。     

功率模块压接型IGBT温度循环试验热负载施加方法

温度循环试验是研究功率模块压接型绝缘栅双极型晶体管（insulated gate bipolar transistor,IGBT）特性的重要试验手段。为此,以柔直换流阀功率模块压接型IGBT为研究对象,结合理论计算与有限元仿真分析,提出了温度循环试验热负载施加方法,并获得相应的电输入目标参数。搭建了温度循环试验平台,对器件温度进行实时监测,综合对比分析功率模块受试IGBT器件的结温、壳温、散热器测温点温度数据。通过仿真结果验证了所提方法的有效性,可为同类型压接IGBT试验提供研究思路。     

大功率IGBT在固态脉冲调制器中的应用

介绍了感应叠加型大功率同态脉冲调制器;使用3.3kV/800A绝缘栅双极型晶体管(IGBT)作为调制器组元电路开关,设计了大功率固态脉冲调制器用3.3kV/800A IGBT的驱动和保护电路;给出了相关的实验波形.     

Characteristics and utilization of a new class of low on-resistanceMOS-gated power device

A new class of MOS-gated power semiconductor devices Cool MOS (Cool MOS is a trademark of Infineon Technologies, Germany) has been introduced with a supreme conducting characteristic that overcomes the high on-state resistance limitations of high-voltage power MOSFETs. From the application point of view, a very frequently asked question immediately arises: does this device behave like a MOSFET or an insulated gate bipolar transistor (IGBT)? The goal of this paper is to compare and contrast the major similarities and differences between this device and the traditional MOSFET and IGBT. In this paper, the new device is fully characterized for its: (1) conduction characteristics; (2) switching voltage, current, and energy characteristics; (3) gate drive resistance effects; (4) output capacitance; and (5) reverse-bias safe operating areas. Experimental results indicate that the conduction characteristics of the new device are similar to the MOSFET but with much smaller on-resistance for the same chip and package size. The switching characteristics of the Cool MOS are also similar to the MOSFET in that they have fast switching speeds and do not have a current tail at turn-off. However, the effect of the gate drive resistance on the turn-off voltage rate of rise (dv/dt) is more like an IGBT. In other words, a very large gate drive resistance is required to have a significant change on dv/dt, resulting in a large turn-off delay. Overall, the device was found to behave more like a power MOSFET than like an IGBT     

Computer-aided design of broad band reflection type amplifiers

Microwave negative resistance reflection type amplifiers using stable transferred electron devices (TED's) are optimized by numerical optimization techniques programmed for an interactive graphic datascreen. The small signal impedance of packaged TED's is measured on an automatic network analyzer. At the same time the impedance of unpackaged devices are obtained by on-line correction for the package parasitics. The microwave circuit chosen is a multiple slug coaxial cavity, that is modelled by sections of lossy transmission lines including step susceptances. The measured small signal impedance of the packaged TED's and the cavity model are used in a direct optimization procedure, in which the calculated minimum gain in the prescribed frequency range is progressively maximized by adjusting the lengths, characteristic impedances and positions of the slugs. The computed results are displayed on a datascreen, which allows for interactive programming. Comparisons of predicted amplifier performance for packaged and unpackaged devices form a basis for evaluating the possible degrading effect of package parasitics. The predictions of the computer-aided design are in good agreement with experimental results. The design procedure imposes no restraint on the frequency variation of the active device impedance and is therefore useful for any stable broad-banded negative resistance device.