i某gt功率模块寿命预测技术分析

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1、重庆大学硕士学位论文1绪论1．1课题背景及研究意义1．1．1课题背景自上世纪中叶首只晶闸管问世以来，功率半导体技术就以相当迅猛的速度发展。在随后的时间里，每一新型功率半导体器件的出现往往引起该领域的巨大变革。如今，功率半导体器件已经成为变流设备的核心器件，功率半导体技术也成为电力电子技术发展的关键。近年来，随着化石能源的不断减少和对环境污染问题的日益关注，节能减排课题的提出和新能源开发与利用等极大地促进功率半导体技术和集成电路技术的不断进步。目前，功率器件正沿着高效率、大容量、高温度、高频率、结构模块化和性能智能化等方向迅速发展⋯。在所有功率器

2、件中，尤其以IGBT(绝缘栅双极型晶体管)为代表的新型功率电子器件集合了MOSFET和双极型功率器件的优点，既具有MOSFET的输入阻抗高、控制电路简单等优点，又具有双极型晶体管的载流密度大、饱和压降低等优点，极大地扩展其应用领域【2

3、，IGBT功率模块的出现引起人们广泛关注。随着科研技术的进步和制造工艺的提高，IGBT模块已成为电力电子领域理想的开关器件，已广泛应用于新能源发电、机车牵引、高压输电等诸多关键领域中。随着功率半导体新结构和新工艺的应用，IGBT变流模块的电流密度和耐压等级在不断增大，体积越来越小，而其所承受的电学、力学和热学载荷

4、却越来越重。在大功率运行状态下会产生大量热量，从而导致温升和热应力形变，由于长久运行不断承受温度变化和功率循环，从而加快了其疲劳失效的进程。电力电子器件失效故障会导致整个设备运行中断，甚至会造成严重安全事故和重大经济损失。因此，功率器件热管理和热疲劳寿命预测问题已经被提到研究的前沿。1．1．2课题的研究意义半导体技术的日益成熟和变流器件性能的不断改善，使得电力电子变流装置在诸多关键领域得到广泛应用。随着电路集成技术的提高，变流设备所用器件越多，其可靠性就越低[1]；在电动汽车、动车牵引等领域，变流设备的运行工况更为复杂，高速飞驰、频繁启动、制动

5、、振动、高温等严重威胁着功率器件的可靠性和使用寿命[3]；在风力发电领域，风电机组的单机容量不断增大，正向10MW迈进，这也给超大功率变流设备的设计和使用可靠性带来了挑战【3J，尤其是海上风电场，由于远离陆地导致其维护困难和维修费用的昂贵，对变流设备的可靠性提出重庆大学硕士学位论文1绪论了更严格的要求【4J；作为高电压大功率器件，在动力牵引、航空电子等许多场合都需要功率器件有20年或更长的服役时间，在此期间，电路周期性的通断和周围环境周期性的变化，使器件要经受至少100—108次功率循环，这使得其可靠性和寿命问题显得更为重要【5J。功率器件的可

6、靠性问题早引起广泛关注，而功率器件的失效和可靠性问题涉及机械应力、电应力、热应力和辐射应力以及其他未知因素等多种因素，产生的机理比较复杂，这给人们的研究带来了难题【6嗡J。近几年，许多学者深入研究器件主要失效模式产生机理和可靠性问题并取得了许多成果，改进功率器件制作工艺，提高了器件的可靠性。但由于新工艺的出现、功率器件的集成度不断提高以及器件运行环境的复杂性，新的失效和可靠性问题也在不断地被发现，使得人们需要继续对器件可靠性和寿命相关理论进行更深入的探索和研究。因此，进一步探索和研究其疲劳失效机理和可靠性相关问题，研究各种外部加载条件对器件可靠

7、性以及疲劳寿命预测的影响程度，揭示影响功率器件可靠性和使用寿命的主要因素，对优化其电热设计、改善其运行性能和使用寿命以及完善其可靠性理论具有重要的理论意义和工程实用价值。1．2国内外研究现状1．2．1IGBT失效机理研究现状一直以来，器件的可靠性都被看作是衡量器件性能退化的关键参数pJ，器件的失效机理决定了其寿命。因此，研究IGBT器件的失效机理是对其进行寿命预测的基础[71，许多学者针对器件的失效机理进行了深入的研究[10．201。在研究功率器件失效机理方面，文献[10]研究了功率循环条件下键合线脱落失效的机理，不同的引线键合方法会影响其脱落

8、的进程，并指出长时间的温度波动还会导致焊接层疲劳老化。文献f11．13]研究了热循环过程中IGBT器件焊接层疲劳老化失效机理，并利用相关软件对IGBT内部热应力进行模拟分析，并研究焊接层中空洞含有率对器件性能的影响。电气过应力失效通常与过电压和过电流有关。文献[14．15]对电气过应力和静电荷放电而导致的在IGBT芯片内部失效的机理进行了深入的研究。另外，电压上升过快或关断过程中过大电压变化率可能导致擎住效应而失效[16-17]。文献f19]指出通常以热阻增大20％作为器件焊接层老化失效的标准。文献[20]指出器件的集射极电压比。增大是判断IG

9、BT键合线脱落失效的重要指标，通常将圪。增大5-20％作为判断其失效的标准。综上所述，IGBT器件失效产生原因大多是由过热或与热相关的问题而造成的，因