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焊料层空洞对绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块温度分布的影响

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科学技术与工程 2018年第32期18卷 189-194页

作者：孙海峰杨舒曼华北电力大学电气与电子工程学院保定071003

作为新能源发电、电动汽车和智能电网的重要单元,IGBT模块得到越来越广泛的应用,其安全可靠性也受到更多的关注。当前功率绝缘栅双极型晶体管(IGBT)器件封装形式主要有焊接式和压接式两种;而其中焊接式发展较成熟,应用较广泛。作为构成I... 详细信息

作为新能源发电、电动汽车和智能电网的重要单元,IGBT模块得到越来越广泛的应用,其安全可靠性也受到更多的关注。当前功率绝缘栅双极型晶体管(IGBT)器件封装形式主要有焊接式和压接式两种;而其中焊接式发展较成熟,应用较广泛。作为构成IGBT模块的关键单元和实现IGBT模块功能的关键部分,焊料层的可靠性显得尤为重要。焊料层的失效形式主要有:空洞扩大、各材料的热膨胀系数不匹配导致的热疲劳;其中焊料层空洞由于焊接工艺局限性而难以避免。应用多物理场有限元仿真软件COMSOL,建立IGBT模块的三维模型;研究焊料层空洞不同位置、不同大小对IGBT模块芯片最高温度的影响;并研究新型材料Sn-Ag-Cu-0. 5Sb较传统焊料层材料Sn-Ag-Cu的优势。仿真结果表明同工况下,焊料为Sn-Ag-Cu-0. 5Sb时,芯片温度都比焊料为Sn-Ag-Cu时低一些,显示出较好的焊料性能。

关键词： IGBT模块焊料层空洞有限元

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焊料层对热电制冷器性能的影响分析

低温与超导 2022年第4期50卷 88-94页

作者：张启李成张景双郑州大学机械与动力工程学院郑州450001

热电制冷器广泛应用于热电制冷和热电发电等领域。建立了热电制冷器热电性能的三维有限元模型,进行多物理场耦合计算,考虑热电材料对温度的依赖性,对两种型号的热电制冷器中焊料层部分的结构尺寸进行了不同工况下的研究分析,对比不同焊... 详细信息

热电制冷器广泛应用于热电制冷和热电发电等领域。建立了热电制冷器热电性能的三维有限元模型,进行多物理场耦合计算,考虑热电材料对温度的依赖性,对两种型号的热电制冷器中焊料层部分的结构尺寸进行了不同工况下的研究分析,对比不同焊料厚度和截面边长对热电制冷器最大温差及热电转换效率的影响。结果表明,焊料层截面边长和厚度对热电制冷器的最大温差影响显著,截面边长为热电壁尺寸的0.95~1.007 86范围内热电制冷器的最大温差能提升10 K,并且在0.970 59~0.975范围内达到最佳;厚度为0.08~0.093 3 mm时既能满足经济性又能使热电制冷器的最大温差提高13 K。

关键词：热电制冷焊料层工作电流最优性能

考虑高海拔环境及焊料层缺陷的IGBT芯片温升与识别模型

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电气工程学报 2024年第3期19卷 84-97页

作者：王炳强律方成张春阳刘洪春平措顿珠刘轩仪袁成徐文扣王平耿江海刘云鹏杜娟曾俊次德吉河北省输变电设备安全防御重点实验室(华北电力大学) 保定071003 国网西藏电力有限公司经济技术研究院拉萨850004

针对焊接型IGBT模块缺少相应的高海拔地区的电热耦合模型,同时有关高海拔地区由于焊料层缺陷导致芯片失效的研究也少之又少。根据IGBT模块内部电场、热场的耦合作用关系,以焊接型IGBT为研究对象,建立芯片焊料层不同缺陷类型及缺陷比例... 详细信息

针对焊接型IGBT模块缺少相应的高海拔地区的电热耦合模型,同时有关高海拔地区由于焊料层缺陷导致芯片失效的研究也少之又少。根据IGBT模块内部电场、热场的耦合作用关系,以焊接型IGBT为研究对象,建立芯片焊料层不同缺陷类型及缺陷比例的高海拔地区焊接型IGBT电热耦合模型,分析了海拔高度以及焊料层空洞、裂纹以及脱落缺陷对焊接型IGBT最大结温的影响,并从机理上做出相应解释,同时提出了高海拔地区焊接型IGBT焊料层缺陷识别模型。研究表明,不同的海拔高度对芯片温度的影响程度不同,高海拔地区芯片温升较低海拔地区明显;不同的缺陷类型、缺陷比例对芯片温度的影响程度也不同,当缺陷比例超过5%后,脱落对芯片温度的影响程度远大于裂纹缺陷和空洞缺陷,同时,所提缺陷识别模型能准确地获取芯片焊料层的缺陷类型和比例,对焊料层的健康状况进行评估。本文研究为高海拔地区焊接型IGBT焊料层健康状态检测,提高IGBT模块运行稳定性提供了理论指导。

关键词：焊接型IGBT 高海拔电热耦合焊料层状态监测

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IGBT热特性的仿真及焊料层分析

功能材料与器件学报 2011年第6期17卷 555-558页

作者：张小玲张健谢雪松吕长志北京工业大学电子信息与控制工程学院 100124

本文建立了一种新的IGBT三维热模型并运用基于有限元法的分析软件ANSYS软件对其热分布进行了模拟分析。结果表明由于单元的热耦合作用,原包间距在10um时比较合适;在相同的功率(P=1W)条件下,材料热导率随温度的变化导致器件的温度升高了4... 详细信息

本文建立了一种新的IGBT三维热模型并运用基于有限元法的分析软件ANSYS软件对其热分布进行了模拟分析。结果表明由于单元的热耦合作用,原包间距在10um时比较合适;在相同的功率(P=1W)条件下,材料热导率随温度的变化导致器件的温度升高了4.8K;当焊料层存在空洞的情况下,器件的温度分布发生了明显的变化,比没有空洞情况下器件的上表面温度上升了24.9K。

关键词： IGBT热模型热分布仿真焊料层

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IGBT模块焊料层失效机理的研究进展

电子元件与材料 2020年第12期39卷 15-21页

作者：谈利鹏佘陈慧刘培生陶玉娟南通大学信息科学技术学院江苏南通226019 通富微电股份有限公司江苏南通226006

绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)模块以其高效节能、绿色环保、智能控制等特点,被认为是功率半导体中应用最广泛的开关器件。目前,IGBT模块由于较大的动态负载和较高的工作温度,面临诸多问题,其中焊料层热疲... 详细信息

绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)模块以其高效节能、绿色环保、智能控制等特点,被认为是功率半导体中应用最广泛的开关器件。目前,IGBT模块由于较大的动态负载和较高的工作温度,面临诸多问题,其中焊料层热疲劳损伤是模块失效的主要因素。为促进IGBT模块安全可靠运行和新能源的可持续发展,需要对其问题及解决方法进行分析。本文从近年来国内外IGBT模块焊料层失效机理的相关研究出发,介绍IGBT焊料层的发展现状及存在的问题,包括焊料空洞、裂纹以及界面分离。指出通过在SAC焊料中添加Ni,Sb等可以有效改善机械特性;将空洞散布成多个小空洞,远离芯片中心,可以极大降低芯片结温,提高模块可靠性。采用DOE工艺参数方法和二次回流的新工艺可以有效减少焊料层空洞,以期对IGBT焊料层进一步发展起到引导作用。

关键词：可靠性绝缘栅双极晶体管综述焊料层失效机理空洞

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大功率LED焊料层的可靠性研究

微电子学 2016年第3期46卷 429-432页

作者：张跃宗李春霞王瑞春邓海涛冯士维郭春生祝炳忠深圳信息职业技术学院深圳518172 北京工业大学电子信息与控制工程学院北京100124 勤上光电股份有限公司广东东莞523570

将功率循环方法应用于大功率LED焊料层的可靠性研究,对比分析了在650mA,675mA和700mA电流条件下大功率LED焊料层的热阻退化情况。实验结果表明,循环达到一定次数,大功率LED热阻才开始退化,并呈线性增加,从而引起光通量下降;另外,失效循... 详细信息

将功率循环方法应用于大功率LED焊料层的可靠性研究,对比分析了在650mA,675mA和700mA电流条件下大功率LED焊料层的热阻退化情况。实验结果表明,循环达到一定次数,大功率LED热阻才开始退化,并呈线性增加,从而引起光通量下降;另外,失效循环次数与电流值之间呈线性关系,并外推出正常工作条件下焊料层寿命为90 968次。对样品进行了超声波检测(C-SAM),发现老化后LED焊料层有空洞形成,这说明空洞是引起热阻升高的主要原因。

关键词：功率循环大功率LED 焊料层热阻

基于有限元法的IGBT模块焊料层可靠性研究设计

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电源世界 2017年第1期 36-38,33页

作者：张科峰丁伟伟河南理工大学电气工程与自动化学院河南焦作454000 中煤科工集团重庆研究院有限公司重庆400037 重庆市农信上阳股权投资基金管理有限公司重庆400043

IGBT模块具有建立内部电气连接、机械支撑和冷却组件的重要作用,而焊料层是IGBT模块能够有效发挥这些作用的关键部件。IGBT模块的功能非常依赖于焊料层的可靠性。本文以一个实际的IGBT模块作为研究实例,利用有限元模型模拟分析了功率循... 详细信息

IGBT模块具有建立内部电气连接、机械支撑和冷却组件的重要作用,而焊料层是IGBT模块能够有效发挥这些作用的关键部件。IGBT模块的功能非常依赖于焊料层的可靠性。本文以一个实际的IGBT模块作为研究实例,利用有限元模型模拟分析了功率循环的温度水平对焊料层疲劳寿命的影响,根据焊料层的温度可靠性分析结果,对焊料层的设计和选择提出了建议。

关键词：有限元分析 IGBT 焊料层功率循环

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贯穿型焊料层空洞对微带电路板传输性能研究

印制电路信息 2022年第7期30卷 50-54页

作者：刘志丹张飞赵志平陈帅中国电子科技集团公司第二十研究所陕西西安710000

在固态相控阵雷达的T/R组件中,微带电路板大都采用大面积接地结构,接地焊接的质量直接影响到组件的微波性能及可靠性、稳定性。文章借助高频结构仿真软件对微带电路板与空洞建模,分析贯穿型焊料层空洞对传输性能的影响。发现焊料层空洞... 详细信息

在固态相控阵雷达的T/R组件中,微带电路板大都采用大面积接地结构,接地焊接的质量直接影响到组件的微波性能及可靠性、稳定性。文章借助高频结构仿真软件对微带电路板与空洞建模,分析贯穿型焊料层空洞对传输性能的影响。发现焊料层空洞会降低微波信号的传输性能,随着器件工作频率的越来越高,这种影响也越来越显著。随着钎透率的降低,微波电路的传输性能是逐渐下降。

关键词：微带电路板焊料层空洞传输性能

高温功率循环下绝缘栅双极型晶体管失效特征及机理分析

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西安交通大学学报 2014年第4期48卷 119-126页

作者：陈明海军驻广州四二七厂军事代表室广州510715

结合绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块结构和工作的不同阶段,分析了IGBT失效类型及其失效机理。深入分析了影响IGBT工作寿命的3种封装失效类型及失效机理。高结温、大温度梯度极端工作方式下主要的封装失效类型是键合引线失效,由某一根或... 详细信息

结合绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块结构和工作的不同阶段,分析了IGBT失效类型及其失效机理。深入分析了影响IGBT工作寿命的3种封装失效类型及失效机理。高结温、大温度梯度极端工作方式下主要的封装失效类型是键合引线失效,由某一根或几根过载引起电流分配不均引发,失效前压降大,热阻基本不变。通过分析得到IGBT模块的寿命值近似服从Weibull分布。实验过程中结合各类显微镜和红外热像仪得出的失效特征分布规律表明:经过功率循环后的芯片表面中心区域、边缘绝缘保护环原胞结构均由规则点阵变化为点阵中出现小的黑圈、空穴、裂纹,变得不再规则;各物理层接触面间的缺陷由芯片向下呈递减趋势;IGBT模块各物理层不平整度由基板向上呈递减趋势。通过实际实验发现,可将压降的突变位置作为IGBT可靠性评估的标准。

关键词：绝缘栅双极型晶体管功率循环失效键合引线焊料层