混合动力/电动汽车用IGBT功率模块的最新封装技术

随着对功率密度和可靠性要求的不断提高,以及其苛刻的应用条件,混合动力/电动汽车使用的IGBT功率模块需要采用新的封装技术。文章介绍了互连、芯片贴装、散热、模块结构等方面的最新技术,总结了功率模块未来的发展趋势,为国内同行了解并跟踪国际最新技术提供了参考材料。     

轨道交通用IGBT模块互连技术及其发展趋势

从焊接、键合及压接三方面介绍了模块封装的各种互连技术,分析了各种互连方式的发展现状及其特点,总结了轨道交通用IGBT模块封装中的互连技术的发展方向。     

基于低温烧结银的封装互连方法研究进展

随着电子电力技术的进步,功率器件朝着高功率密度、高集成度的方向不断发展。互连层作为功率模块热量传输的关键通道,对实现功率模块高温可靠应用具有重要影响。低温烧结银具有工艺温度低、互连强度高、工作温度高、导电性强、导热性强等优异特性,已成为封装互连材料的研究热点。但烧结驱动力需求高、烧结致密度低和"热-机械"应力高等诸多缺陷限制了低温烧结银技术在大面积封装互连领域的广泛应用。文章从材料和工艺角度对现有研究方法和成果进行了归纳总结和比较分析,并在此基础上提出了低温烧结银封装互连技术的研究重点和发展方向,对拓展低温烧结银技术的应用具有重要意义。     

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。     

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。     

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。     

一款高性能的双面冷却电动汽车级IGBT模块

高性能、低成本和高可靠的电动汽车用集成功率模块是行业技术发展的方向。文章以双面冷却封装结构为核心,采用行业先进的封装技术,研制了一款高性能的双面冷却IGBT功率模块。从仿真和试验的数据来看,该IGBT模块具有优异的热性能和电气性能,同时具有明显改善的功率处理能力和足够的功率循环可靠性。     

征稿启事

先进功率半导体器件及其高端系统应用装置技术是节能先锋、传统产业转型和升级的基础、装备水平提升的关键。IGBT作为新型电力电子器件主流产品之一,其芯片技术日益成熟,应用领域在不断扩大。为更好地报道IGBT技术现状及发展前景,《大功率变流技术》期刊拟在2015年第2期推出＂IGBT及其应用技术＂专刊,内容涉及综述、     

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。     

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。     

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。     

SiC混合IGBT器件应用研究

Si C功率器件具有高频、高效率、高功率、耐高温、抗辐射等优点。文章介绍了目前Si C功率器件应用情况,阐述了Si C pn结肖特基势垒(JBS)、Si C-MOSFET以及Si C混合IGBT的特性,分析了应用于1 700 V Si C混合IGBT的可编程驱动技术;最后简述了Si C模块功率试验情况。     

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。     

国产化6500V/200A高压大功率IGBT的研制

研制的IGBT器件采用完全国产化芯片,通过ANSYS仿真软件对电磁场、热、应力分布等特性进行仿真,实现IGBT器件结构设计最优化;研制的高压大功率IGBT通过了器件、功率模块、辅助变流柜和机车级的试验验证。试验结果满足设计要求,并已形成了芯片—IGBT器件—功率模块—变流器完整产业链,成功批量应用在国内轨道交通领域,具有重大的社会意义和市场前景。     

用于大功率领域的功率半导体器件

在未来１０年显现的市场中，绝缘栅双极晶体管（ＩＧＢＴ）和集成式门极换流晶闸管（ＩＧＣＴ），将成为柔性交流传动系统（ＦＡＣＴＳ）和其它大功率应用领域的主导型功率半导体器件。半导体器件及其封装技术的新发展，将促进功率半导体器件更多地进入配电领域，这将导致装置的效率及可靠性提高，同时开关兆瓦级电路的成本将下降。     

集成化是电力电子技术发展的趋势

阐述了集成技术对电力电子技术的重要意义,总结了当前国际上电力电子集成技术的研究内容和研究方向,并对集成技术的发展方向进行了分析.最后介绍了项目课题组开发的若干种基于混合封装技术的集成模块.     

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。     

变流器数字控制系统中基于IP软核的DSP,MCU和FPGA芯片间的数据通信技术

针对变流器数字控制系统的DSP,MCU和FPGA芯片需要快速、可靠地完成一定数据量通信的要求,基于FPGA的IP软核实现双口RAM方法,研究适用于MCU,DSP和FPGA芯片间的数据通信技术。首先利用Altera公司提供的FPGA开发环境Quartus中的MegaWizard进行配置,实现1个双口RAM模块;基于该模块,依次设计单向三口RAM模块、双向三口RAM模块以及双向三口RAM模块与MCU和DSP芯片的接口部分,并将带有与MCU和DSP芯片接口的双向三口RAM模块封装成1个用户可以直接使用的顶层模块。对该顶层模块进行编译的结果表明:该技术可以可靠、经济和方便地实现变流器数字控制系统中MCU,DSP和FPGA芯片间的数据通信。     

基于热传导模型的IGBT结温计算方法

针对IGBT芯片结温难以直接测量的问题,提出了一种基于热传导模型的IGBT结温计算方法。基于经典的Cauer型RC网络结构,建立了变流器热传导模型;结合传递函数概念和热传导模型结构,完成了变流器热传导模型的参数识别;通过查阅IGBT产品手册以及实际工作工况,计算得到IGBT实时功率损耗;最终通过MATLAB/Simulink进行仿真计算,得到变流器IGBT芯片的实时结温。此方法实现了IGBT芯片结温的快速计算,为IGBT可靠性和寿命评估提供了数据支撑,同时也为功率模块及变流器的设计研发提供了新的科学依据。     

电力电子半实物仿真技术及其发展

分析了电力电子半实物仿真技术原理。在传统技术方面,介绍了两大主流实时仿真平台（dSPACE和RT—LAB）以及针对电力电子半实物仿真的3种核心技术（集成Sim Powersystems、Artemis及RT-Events）;在新技术方面,介绍了基于CPU＋FPGA结构的电力电子半实物仿真平台及其相应仿真模型开发工具、功率硬件在回路技术以及虚拟原型技术,并预测了其发展趋势。