基于铜夹互连的双芯片功率器件的热力机械性能研究

传统的功率半导体器件封装结构通常会采用铝（Al）线键合，这就导致了器件电路寄生电感大和可靠性问题，限制了碳化硅（SiC）功率器件的发展。有研究人员提出了一种新型的铜夹互连工艺，可实现双面散热和提高器件的功率密度，但目前的研究主要集中在其热性能和可靠性方面，缺少对结构设计的优化研究。因此，有必要对多芯片铜夹互连的结构优化设计开展进一步研究。文章针对铜夹功率器件重要的结构参数对芯片应力集中的影响进行了仿真研究。结果表明，铜夹厚度对芯片应力集中影响最大，而铜夹跨度影响最小。对比采用焊料层应力最小的结构参数建立铜夹器件模型与对应的引线模块，可发现在功率循环下，铜夹器件的铜夹和焊料层的疲劳寿命相比于引线模块提升了10倍以上，并且卸荷槽对提升铜夹器件疲劳寿命有显著影响。     

高压IGBT模块AlN覆铜衬板特性研究

根据高压IGBT模块的应用需求,开展了对氮化铝(AlN)覆铜衬板特性的研究。主要验证了AlN覆铜衬板的正面可焊性、背面可焊性、正面可键合性、衬板级绝缘性和模块级绝缘性,并对测试结果进行了分析讨论。     

IGBT模块银烧结工艺引线键合工艺研究

主要研究了应用于IGBT模块封装中的银烧结工艺和铜引线键合工艺,依据系列质量表征和评价方法,分别验证并优化了银烧结和铜引线键合的工艺参数,分析了衬板镀层对烧结层和铜线键合界面强度的影响,最后对试制的模块进行浪涌能力和功率循环寿命测试。结果显示,与普通模块相比,搭载银烧结和铜线键合技术的模块浪涌能力和功率循环寿命均有大幅的提升,并且银烧结和铜线键合界面未见明显的退化。     

1700 V/1600 A SiC混合IGBT应用研究

SiC功率器件具有高频、高效率、耐高温、抗辐射等优势,介绍了目前SiC功率器件应用情况,阐述了SiC-JBS以及SiC混合IGBT的特性,分析了应用于1 700 V混合IGBT的驱动技术,完成了SiC混合IGBT模块功率试验研究。     

银座线01系地铁列车SiC功率模块主电路系统的试验报告

东京地铁有限公司为进一步开展铁道车辆节能工作，进行了多项研究与试验。本文介绍了该公司01系地铁车辆应用SiC功率模块优化VVVF逆变器以及改进制动方式的研究与试验情况。现车试验结果表明，优化后的主电路系统有稳定的控制效果，每辆车每运行1km耗电量比Si功率模块的主电路系统节省13．7％，车内噪声降低7dB左右。     

水泥混凝土路面温度应力回归计算分析

针对现有水泥混凝土路面结构温度应力的计算方法不完善,对现行规范中通用设计方法进行了数值回归分析,建立了温度翘曲应力系数和温度应力系数的经验公式,公式中首次引入的计算参数a,b能反映温度翘曲应力和温度内应力的变化。基于此建立起了路面结构温度应力经验计算公式,并对其进行了可靠性分析,分析结果与规范相吻合且能满足工程需要。结合路面铺筑施工温度,计算路面铺筑的临界温度和路面发生初始翘曲和胀缩时的临界温度,分析了路面结构温度应力的各个影响因素对温度应力的影响,为路面铺筑施工温度的控制提供参考。     

基于沟道状态的SiC MOSFET器件浪涌能力研究

得益于技术的进步,SiC MOSFET器件中的体二极管可靠性有极大的提升,并在部分领域和模块中取代了续流二极管。文章基于浪涌电流试验,对不同沟道状态下SiC MOSFET器件浪涌能力进行了深入研究。首先,搭建了浪涌电流试验平台,对CREE和Infineon两家公司的器件进行了浪涌电流试验;然后,测量和对比了试验前后器件的阈值电压、导通电阻、体二极管电压和漏极漏电流等特性的变化;最后,通过超声波扫描显微镜观察了器件失效前后内部结构的变化,并分析了器件的失效原因。试验结果表明,SiC MOSFET器件在浪涌电流冲击下,栅极可靠性和金属层可靠性共同决定了器件的可靠性:一方面,栅极可靠性高的器件,沟道导通有利于降低最高结温,提高浪涌电流下的可靠性;另一方面,栅极可靠性低的器件,沟道的关闭有利于保护栅极。     

IGBT模块封装的热性能分析

利用ANSYS有限元分析软件建立了IGBT模块封装的有限元模型,分析了导热硅脂厚度、当量换热系数、基板厚度和材料、焊料厚度和材料、衬板厚度和材料、铜层厚度等因素对IGBT模块封装热性能的影响,并探讨了热扩展对芯片结温的影响。研究结果可为优化IGBT模块封装提供参考。     

高性能碳化硅混合功率模块研制

报道了一种基于自主封装技术的高性能、高效率碳化硅(SiC)混合功率模块,该功率模块的反向阻断电压为1 200 V,正向导通电流为480 A。动态测试表明,其峰值反向恢复电流Irr仅为-115 A,关断延迟时间td(off)为3.36μs,关断能量损耗Eoff为296.82 mJ,开通延迟时间td(on)仅为0.66μs,开通能量损耗Eon仅为242.27 mJ,输出功率可达到百千瓦级别。与传统的硅基IGBT模块相比,该碳化硅混合功率模块大大降低了模块的能量损耗。     

宽禁带功率器件键合缓冲技术的可靠性分析

在电力电子应用中,性能优于硅功率器件的宽禁带功率器件得到广泛关注。然而,传统功率器件封装中的芯片顶部的电气互连结构现在已成为限制宽禁带功率器件寿命的主要因素。因此,有必要通过使用键合缓冲技术将铜键合线、焊带和引线框架来代替铝键合线作为芯片顶部的电气互联以满足宽禁带功率器件在高温工作条件下的要求。文章回顾了不同键合缓冲技术和金属键合材料在功率循环测试中的可靠性表现。其中,因瓦合金键合缓冲材料与铜键合线的结合在众多键合材料中显示出最强大的功率循环测试能力。失效分析显示,宽禁带功率器件封装的薄弱点已经从芯片顶部的键合材料变为氧化铝陶瓷衬底或芯片上表面的铝金属层。     

SiC元件在铁道车辆上的推广应用

为发挥碳化硅(SiC)材料的优势、确保装置的可靠性,将采用SiC元件的装置推向实用化,三菱电机公司进行了技术开发,在世界上率先将SiC装置投放市场。目前,采用电压为1.2～3.3 kV的SiC模块的车辆驱动控制装置及辅助电源装置已步入实用化阶段,其在小型、轻量化以及铁道系统节能等方面的优势已得到证实。下一步将进行内置SBD的MOSFET及6.5 kV耐超高压模块的开发,这种技术不仅适用于铁路,也适用于其他领域。     

IGBT模块功率循环能力与可靠性试验

为验证IGBT模块的可靠性,分析了IGBT模块的封装结构,并在传统IGBT模块功率循环试验的基础上建立新的模型,通过具体的试验得到IGBT模块功率循环后失效状况,并对该状况进行分析。相对传统IGBT寿命预测和可靠性评估,该功率循环的新方法更加贴合实际应用工况,对IGBT失效分析具有借鉴作用。     

新型受电弓滑板材料的研究

阐述了国内一些不同材质滑板的特点和应用,分析了国内受电弓滑板的发展趋势,指出陶瓷增强铜基复合材料是一种新型高性能受电弓滑板材料.采用化学镀铜的TiB2粉与Ti3SiC2粉作为弥散强化增强相,真空无压烧结成一种新型弥散强化Cu基复合材料.研究其性能表明,Cu/Ti3SiC2(20%)/TiB,(15%)复合材料其相对密度、电阻率、布氏硬度都达到相关标准要求.     

功率IGBT模块的可靠性分析

介绍了功率模块的现状、封装过程、可靠性及其失效规律,论述了研究模块可靠性的标准试验方法如耐力试验和环境试验,讨论了模块的主要失效机制如键合引线失效、表面金属化重建、焊料疲劳和衬底分层等。     

适应DC1500V供电制式的全碳化硅VVVF逆变器验证结果

小田急电铁有限公司在开展铁道车辆节能的研发工作中,在主电路系统中采用SiC(碳化硅)功率模块,取得了扩大再生电力制动领域,降低电动机损耗、实现主电路系统整体节能化等研究成果。介绍了该公司在1000型翻新车辆上搭载应用全SiC VVVF逆变器等装置,经现车试验确认与传统系统相比,耗电量降低40%,体积、质量均降低80%以上,大幅度实现了装置小型轻量化。     

功率模块铜线键合工艺参数优化设计

为了提高功率模块铜线键合性能，采用6因素5水平的正交试验方法，结合BP (Back Propagation)神经网络与遗传算法，提出了一种铜线键合工艺参数优化设计方案。首先，对选定样品进行正交试验并将结果进行极差分析，得到工艺参数对键合质量的影响权重排序。其次，运用BP神经网络构建了铜线键合性能预测模型，并通过遗传算法对BP神经网络适应度函数求解，得到了工艺参数的最优值。将BP-遗传算法与传统优化方法的优化结果进行对比，发现经BP-遗传算法优化后的铜线键合工艺稳定性提升更加明显。最后，对功率模块进行了功率循环试验，结果表明经BP-遗传算法优化后的模块功率循环能力得到显著提升。     

新一代牵引级IGBT模块技术研究与应用

牵引级IGBT模块是现代轨道机车车辆牵引变流器中实现电能变换和功率输出的核心功率器件。新一代牵引级IGBT模块采用最新的IGBT4芯片、EC4二极管芯片、VLD和DLC芯片边缘终端技术,优化了芯片面积与栅极电荷的设计,具有较低的导通电压、优良的高低温电气特性和安全工作区性能。新型IHV-B封装优化了内部芯片布局和互连设计,降低IGBT模块的杂散电感;通过增大芯片的有源面积,减少静态损耗并降低了模块的"结-壳"热阻;优化的功率端子结构提高了抗振动性能,并具有良好的温度分布特性。IGBT4模块通过了一系列严格的可靠性测试,具有良好的环境适应性、功率循环能力和高可靠性。应用IGBT4模块可以提升牵引变流器的功率密度和集成度设计,实现小型轻量化和长寿命的牵引系统解决方案。     

CA砂浆弹模对框架板式轨道翘曲应力的影响分析

采用有限元分析法,对框架板在温度梯度作用下的翘曲应力进行仿真计算,分析了砂浆弹性模量的变化对框架板温度效应的影响。结果表明:在温度荷载作用下,框架板式轨道框架角点处和凸台边缘处将产生局部翘曲应力的集中,最大的翘曲应力产生在轨道板角点处,并产生最大的翘曲位移;随着CA砂浆弹模的增加,轨道板应力集中区域的最大翘曲应力逐渐减小,轨道板角点翘曲位移也逐渐减小。     

剪切变形对箱形梁畸变效应的影响

为揭示剪切变形对箱形梁畸变效应的影响规律,在合理假设畸变翘曲位移函数和切向位移函数的基础上,应用最小势能原理建立了考虑剪切变形的箱形梁畸变控制微分方程和相应边界条件,并通过数值算例分析了剪切变形及几何参数变化对箱形梁畸变效应的影响。结果表明:考虑剪切变形时的畸变翘曲应力与ANSYS壳单元的计算结果更为接近;与忽略剪切变形时的结果相比,畸变翘曲正应力的降低幅度不超过5%,畸变翘曲剪应力的降低幅度不超过10%;剪切变形对畸变位移的影响很小;随着跨高比的增加,畸变翘曲正应力沿梁跨度的分布曲线由单峰向双峰转变,畸变翘曲剪应力发生正负号改变的截面位置向梁端移动;随着箱壁厚度的减小,畸变翘曲应力显著增大。     

出口机车高功率密度电源散热器的设计与优化

高功率密度电源具有功率密度高、重量轻、体积小以及便于维护的优点,近年来在出口机车上具有很高的竞争力。作为核心部件功率模块,其散热器的热稳定性直接影响了高功率密度电源的工作可靠性及功率密度的高低。文章提出了基于普通型材散热器的内嵌铜制水平热管散热解决方案,将其与普通型材散热器进行了对比,前者在散热能力上有很大的提升,能够满足所有功率器件的结温要求。