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IGBT模块热行为及可靠性研究

王彦刚

  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。……   
[关键词]:IGBT模块;热应力;可靠性;热阻
[文献类型]:硕士论文
[文献出处]:北京工业大学2000年
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