【摘 要】
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IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)绝缘栅双极型晶体管,是由功率BJT(双极型晶体管)和功率MOSFET(绝缘栅型场效应管)构成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,兼有MO
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IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)绝缘栅双极型晶体管,是由功率BJT(双极型晶体管)和功率MOSFET(绝缘栅型场效应管)构成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,兼有MOSFET的高输入阻抗和BJT的低导通压降两方面的优点,被广泛应用于电力转换与功率系统中。IGBT模块在工作过程中容易产生失效或者疲劳效应,其中引线键合与焊料层是IGBT模块最为薄弱的环节,通过研究引线键合失效机理对提高模块可靠性有极其重要的意义。本文利用有限元仿真软件建立IGBT模块七层模型并键合引线,通过对模型进行电-热耦合仿真研究引线键合布局对芯片温度分布的影响;对不同引线布局的IGBT模块进行功率循环实验,将功率循环实验结果与仿真结果进行比对;用Coffin-Manson寿命模型预测不同引线布局的IGBT模块的寿命。研究IGBT模块引线间电磁力对引线失效的影响,通过有限元软件对键合引线的IGBT模块进行电磁仿真,从仿真中观察引线之间电磁力的大小,分析同等电流等级下热应力与电磁力对引线键合可靠性的影响。电-热耦合仿真结果表明通过优化引线在芯片表面的布局可使芯片表面最高温度降低3℃,功率循环实验结果表明均匀键合相比集中键合芯片表面最高温度降低3~4℃。用Coffin-Manson寿命模型预测不同引线布局的IGBT模块的寿命,发现均匀键合模块相比集中键合功率循环寿命提高了37.8%。通过改变引线布局使芯片表面散热有效面积达到最大,能得到最佳引线分布并使模块获得更高的可靠性。直流仿真时,引线上热应力对引线键合可靠性的影响远大于电磁力,瞬态电磁仿真发现,引线上的电磁力在电流峰值大到一定程度时会变得不容忽视,脉冲放电实验也验证了通过IGBT的脉冲电流峰值越大,引线间产生的磁场越强,电磁力越大。
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