功率循环下GaN器件栅极可靠性研究

氮化镓(GaN)功率器件长期在高功率密度工况下运行,其栅极可靠性一直是关注的重点,栅极的退化会造成器件误导通以及导通损耗增加等问题。为此,设计一个直流功率循环装置,通过功率循环的方式加速器件老化。同时为了评估栅极可靠性,采用与栅极紧密相关的阈值电压(VTH)以及栅极电容(CGS)作为特征参量,设计VTH与CGS监测电路。通过实验研究了器件栅极的温度特性、恢复特性以及在100000次功率循环后的退化情况。结果表明,随着温度的增加,VTH正向漂移,漂移量超过10%,CGS则与温度解耦保持不变。器件在功率循环后VTH存在恢复现象,前10 min恢复超过70%,在3 h后保持稳定,CGS不存在恢复特性。所选两款GaN在100000次功率循环后特征参量发生不同程度的变化,表明器件栅极在功率循环后发生了一定程度的退化。因此,有必要在设计器件及应用时考虑温度及热应力冲击所造成的栅极性能退化,优化设计工艺以提高GaN器件的可靠性。

功率循环试验中结温条件对IGBT器件失效模式的影响

为了探究功率循环试验中结温条件对绝缘栅双极型晶体管(IGBT)器件失效模式的影响及其失效机理,以理论分析为出发点,通过大量功率循环试验进行对比验证,基于瞬态热阻抗曲线建立了准确的三维有限元模型,并仿真分析了相关失效机理。仿真及试验结果表明,键合线失效只受结温波动的影响;焊料老化受结温波动和最大结温的影响。增加结温波动会增加键合线、焊料所受应力,而提高最大结温会影响焊料的材料特性,加速其蠕变过程。研究成果解决了解析寿命模型难以表征失效机理的问题,并为失效模式的分离提供新的研究思路。

散热底板对IGBT模块功率循环老化寿命的影响

功率半导体模块通常采用减小结壳热阻的方式来降低工作结温,集成Pin-Fin基板代替平板基板是一种有效的选择。两种封装结构的热阻抗特性不同,可能对其失效机理及应用寿命产生影响。针对平板基板和集成Pin-Fin基板两种常见车规级IGBT模块进行了相同热力测试条件(结温差100 K,最高结温150℃)下的功率循环试验,结果表明,散热更强的Pin-Fin模块功率循环寿命低于平板模块。失效分析显示,两者失效模式均为键合线脱附,但Pin-Fin模块的键合失效点集中在芯片中心区域,而平板模块的键合失效点则较为分散。基于电-热-力耦合分析方法,建立功率循环试验的有限元仿真模型,结果表明,Pin-Fin模块的芯片温变梯度更大,芯片中心区域键合点温度更高,使芯片中心区域的键合点塑性变形更大,导致其寿命较平板模块更短,与试验结果吻合。

环氧树脂高温热老化反应对器件功率循环寿命的影响机理

分立器件主要使用环氧树脂封装材料以保护芯片免受机械损伤和环境腐蚀,但环氧树脂材料的热稳定性较差,在高温环境下易发生化学反应,影响器件的性能。因此,一般要求器件的工作温度不能超过环氧树脂的玻璃化转变温度。以SiCMOSFET分立器件为研究对象,通过功率循环试验深入探究高温存储对器件功率循环寿命的影响。结果表明,经高温存储后器件的寿命得到显著提升。此外,通过对高温存储前后环氧树脂材料进行热机械分析,发现环氧树脂材料的热稳定性经高温存储后得到增强。最后,通过建立有限元仿真模型,深入分析高温存储对器件芯片表面应变及键合线应变的影响,发现高温存储后器件芯片表面应变及键合线应变变小,解释了高温存储对器件寿命提升的影响机理。

考虑阈值电压漂移的SiC MOSFET功率循环寿命修正技术

在SiC MOSFET的功率循环测试(PCT)中,饱和压降主要表征键合线的老化状态,其值由导通电阻决定。SiC MOSFET的阈值电压漂移会在导通电阻中引入非键合线老化导致的芯片电阻增量,进而影响寿命判断。为了准确判定键合线失效,设计和搭建阈值电压漂移在线监测平台,并结合实测阈值电压漂移数据解耦出芯片电阻增量,进而对实测饱和压降进行补偿,实现对SiC MOSFET功率循环寿命的修正。结果表明,同一器件寿命修正前后的结果基本一致,阈值电压漂移主要影响PCT前期的饱和压降,对最终寿命判定结果没有影响。该研究成果可为SiC MOSFET封装可靠性测试提供参考。

功率器件功率循环仿真及引线键合寿命分析

在人们对功率半导体器件相关性能要求不断提高的情况下,其封装可靠性得到越来越多的重视。为了使器件整体满足在高温、高频率、大功率、抗辐射等工作条件下的可靠性能力,需重点突破制约三代半导体可靠性发展的新型封装材料或改进封装技术。论文以典型SiC MOSFET为研究对象,通过构建与功率循环试验相适应的仿真方法,研究在典型功率循环条件下器件键合点可靠性问题。在不同键合线线径及循环次数条件下,得到相应的应变及应变能密度,利用损伤累积的能量模型对器件键合点寿命进行了分析计算,实现了采用仿真手段对功率器件在功率循环试验中键合点可靠性的分析与评价。

基于有限元的弹性压接型IGBT器件功率循环寿命预测

现有的预测方法主要使用极端梯度提升树模型进行多层次预测训练,易受预测目标函数影响,导致预测性能不佳,因此,文章提出基于有限元的弹性压接型IGBT器件功率循环寿命预测方法。该方法构建了IGBT器件功率循环寿命预测有限元模型,计算了弹性压接型IGBT器件功率循环寿命预测参数,从而实现了功率循环寿命预测。实验结果表明,设计的弹性压接型IGBT器件功率循环寿命预测方法的预测均方根误差RMSE、平均绝对百分误差MAPE、平均绝对误差MAE均较低,预测训练时间较短,证明设计的IGBT器件功率循环寿命预测方法的预测效果较好,具有可靠性,有一定的应用价值。

双馈风电变流器IGBT模块功率循环能力评估

为准确评估不同风况下双馈风电机组变流器的可靠性水平,提出一种机侧变流器IGBT模块的功率循环能力评估方法,并研究了风速对功率循环能力的影响。基于器件失效模型,建立机侧变流器IGBT模块的平均失效时间(MTTF)计算模型。结合变流器实时运行参数,建立机侧变流器IGBT模块结温计算模型,并分析湍流风速对结温波动的影响,进而提出基于雨流算法提取随机结温波动信息。根据提取的随机结温波动信息,结合风速统计特性,提出机侧变流器IGBT模块功率循环能力评估模型。最后,以某1.5 MW双馈风电机组机侧变流器IGBT模块为例,分析年平均风速及湍流强度对其功率循环能力的影响。分析结果表明:该变流器IGBT模块的MTTF其随着年平均风速及湍流强度的增大而减小;相比传统评估模型,所建立的评估模型更准确。

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。

功率循环中表面安装器件(SMD)热变形的实时全息干涉测量研究

功率循环中表面安装器件（ＳＭＤ）的热应变是影响ＳＭＤ焊点可靠性的重要因素之一．本文采用实时全息干涉度量法对一个具有１００条引线的塑料四边引线封装器件（ＰＱＦＰ）在功率循环中的热－力耦合离面变形场进行了测量，获得了分别位于ＰＱＦＰ和印制电路版（ＰＣＢ）表面的离面变形数值，并根据两者之间的离变形失配，精确地计算出了引线和焊点的变形，为全面了解ＳＭＤ在功率循环条件下的热力学行为及分析ＳＭＤ焊点的疲劳失效机理提供了精确可靠的实验数据．

功率循环下CSP封装结构焊点的寿命预测分析

采用非线性有限元方法,分析了CSP封装形式的焊点在给定功率循环下的应力应变.单一内变量的统一粘塑性Anand本构方程,描述了63Sn37Pb焊料的粘塑性变形行为.考虑封装体内温度梯度的存在,更加真实地模拟芯片实际发热机制,采用间接法将CSP功率循环模拟方法具体分为瞬态热分析和热应力分析两个阶段.热分析得到的温度场分布结果作为热应力分析的载荷.通过基于以能量为基础的疲劳寿命预测公式预测焊点的失效循环数.对1/8 CSP模型作寿命预测,并和简化模型作比较分析.结果表明,两者焊球温度分布和等效应力基本一致,焊球失效循环数相差不超过5%.

功率循环下IGBT模块电热参数变化规律分析

为了分析IGBT模块老化过程中电热参数的变化规律,对IGBT模块进行了功率循环加速老化试验,并基于单脉冲测试方法在加速老化试验进程中每间隔1 000次功率循环,测取一次IGBT的结温、集电极电流与饱和压降三维关系曲面、开关能耗、热阻抗以及瞬态热阻抗曲线。IGBT模块老化失效时,其饱和压降、开通能耗、关断能耗以及热阻较其初始值分别增大了3.92%、12.05%、18.87%和22.65%,试验结果表明随着IGBT模块功率循环次数的增多,相同工作条件下IGBT饱和压降的增幅逐渐加大,而饱和压降、结温和集电极电流三者间的内在关系没有明显变化;IGBT瞬态热阻抗曲线暂态部分几乎不变,稳态部分向上移动的幅度逐渐加大;测取的IGBT模块电热参数中饱和压降增幅最小,开关能耗增幅较大,模块热阻的增幅最为明显。

全轮驱动车辆寄生功率循环问题的探讨

对无轴间差速器的全轮驱动车辆运动不协调现象进行了研究，指出了车辆行驶理论中寄生功率循环概念的不妥之处．用牵引动力学的概念分析了运动不协调的各种工况，提出了滑移损耗功率的概念并导出了其计算式．

VDMOS功率循环试验中结温在线监测方法研究

提出一种VDMOS器件功率循环试验中的结温在线监测方法,通过研究功率循环试验中的在线测温原理,提出利用功率循环试验中VDMOS器件在导通态下的漏源电流、漏源电压与温度的对应关系以及器件在关断态下的PN结结电压与温度的对应关系进行结温在线测量。设计了结温在线监测系统,试验结果表明,该系统可实现在规定结温变化范围内对VDMOS器件进行功率循环试验并实时在线测量和控制VDMOS器件结温,可在功率循环试验过程中的器件导通态温度上升阶段和关断态温度下降阶段分别对器件结温进行实时监测和控制。

功率循环型复合行星齿轮机构的功率流分析及效率与转矩的计算方法

用简明易懂的Radzimovsky法推导出用齿数比iA、i0 来计算 2K -H型功率循环型复合行星齿轮机构的功率流、效率和转矩的计算公式。用实例比较了Radzimovsky法与Kpe摮Ｈｅｃ法这两种方法用于效率计算时的最后结果和难易程度 ,结果表明 ,用两种方法求得的效率值相同 。

功率循环条件下厚膜组装VDMOS的热阻结构函数分析

该文以混合集成VDMOS管为对象进行功率循环试验,将温循试验后的热阻变化进行对比分析。首先基于结构函数对VDMOS样品的热阻变化的因素进行分析。其次利用有限元分析法计算模块中各部分温度分布情况,并对比模块内部各层温度随时间的变化状态。最后结合Coffin-Manson关系外推不同温度变化条件下的循环次数。

DC功率循环与PWM功率循环的差异对比分析

与DC功率循环相比,脉冲宽带调制(PWM)功率循环由于其控制方式与模块的实际应用工况相同,因此其测试条件更接近于模块的实际运行工况。但是两者之间的差异是否会对模块可靠性测试结果产生影响还有待研究。从DC功率循环和PWM功率循环的测试原理、结温测量方法、失效机理和寿命方面进行了系统的分析论述。首先分析得到了两种功率循环方式之间的差异,然后从失效机理及寿命两个方面进行对比,发现DC功率循环与PWM功率循环之间的差异对模块失效机理及寿命的影响很小,因此可以认为尽管DC功率循环和PWM功率循环之间存在差异,但是其差异性并不会对模块可靠性测试的结果产生影响。

功率循环型复合行星齿轮机构效率算法的研究

介绍了一种 2K H型功率循环型复合行星齿轮机构效率计算式的推导 ,并将这种计算方法与常用的传动比法(KpeˇuHec法 )进行了比较。结果表明 ,这种推导浅显易懂 ,计算结果与KpeˇuHec法的相同。

厚膜组装VDMOS在功率循环下的失效特征和机理

该文以厚膜组装VDMOS为对象进行功率循环试验,采用X射线、切金相剖面分析和热阻分析等方法对试验后样品进行了对比。分析厚膜组装各封装界面随时间的退化的特征,并分析了其退化机理。其次利用有限元分析法计算模块中各部分温度分布情况,最后结合Coffin-Manson关系外推不同温度变化条件下的循环次数。

汽车级IGBT模块功率循环及温度循环寿命对比与分析

随着电动汽车领域越来越多地使用绝缘栅极晶体管(IGBT)模块,在这些关乎乘员安全的场合,通常要求IGBT模块具有更高的可靠性。选取了典型的汽车级和工业级IGBT模块产品,分别进行了功率循环和温度循环试验,对比了2种模块的可靠性差异,结果表明,汽车级模块产品的功率循环寿命较工业级产品差,但是温度循环寿命明显优于工业级产品。