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太阳能学报 2024年第2期45卷 336-341页

作者：刘雪庭杜明星马格尹艺迪天津市新能源电力变换传输与智能控制重点实验室(天津理工大学) 天津300384

以绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的焊料层为研究对象,在传统Cauer模型的基础上,提出考虑芯片-铜端子热流支路的双分支Cauer模型,利用光纤温度传感器测量裸露在IGBT模块外部的铜端子温度和IGBT模块底板温度,以获取IGBT芯片结温,通过分析芯片... 详细信息

以绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的焊料层为研究对象,在传统Cauer模型的基础上,提出考虑芯片-铜端子热流支路的双分支Cauer模型,利用光纤温度传感器测量裸露在IGBT模块外部的铜端子温度和IGBT模块底板温度,以获取IGBT芯片结温,通过分析芯片结温、铜端子温度、底板温度的变化规律,准确定位焊料层老化位置,以区分芯片焊料层老化和底板焊料层老化,从而实现对不同焊料层的老化状态监测。

关键词：绝缘栅双极型晶体管状态监测有限元分析焊料层老化 Cauer热网络模型

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基于壳温信息的功率器件可靠性分析

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电工技术学报 2023年第24期38卷 6760-6767页

作者：崔曼胡震张腾飞周岩贾蓉刘俊杰北京理工大学信息与电子学院北京100081 南京邮电大学自动化学院、人工智能学院南京210042 苏州帝奥电梯有限公司苏州215200 湖北汽车工业学院电气与信息工程学院十堰442002 长春理工大学计算机学院长春130022

功率器件的焊料层易受到温度波动逐步发生老化脱落,造成热量无法快速消散而在芯片处积聚,引起芯片过热损毁,造成功率器件突发失效,因此,焊料层老化的实时评估是实现功率器件可靠运行的重要保障。该文通过提出基于壳温的焊料层老化评估方... 详细信息

功率器件的焊料层易受到温度波动逐步发生老化脱落,造成热量无法快速消散而在芯片处积聚,引起芯片过热损毁,造成功率器件突发失效,因此,焊料层老化的实时评估是实现功率器件可靠运行的重要保障。该文通过提出基于壳温的焊料层老化评估方法,分析了焊料层老化影响的壳温分布情况,建立了基于壳温的基板二维温度梯度模型对壳温分布变化规律,研究了壳温分布变化与热阻抗的关联情况,以焊料层老化程度作为中间变量,通过离线加速老化平台采集壳温分布和热阻抗的演化信息,建立基板二维温度梯度与热阻抗关系的数据库,在工程应用中,通过布设在器件基板和散热板之间的传感器测量壳温并计算二维温度梯度,通过数据库识别热阻抗值对器件可靠性进行评估。在仿真和实验的老化分析中,表征壳温分布的二维温度与热阻抗的变化趋势相同,当器件失效时,二维温度梯度和热阻抗分别增长了16.1%、20%和20.1%,表明二维温度梯度与热阻抗受焊料层老化影响是一致的,与现有的方法相比,该方法通过壳温便可实现功率器件的可靠性评估。

关键词：功率器件焊料层老化可靠性温度梯度

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基于磁感应强度的多芯片并联IGBT模块健康状态评估方法研究

基于磁感应强度的多芯片并联IGBT模块健康状态评估方法研究

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作者：丁雪妮重庆大学

学位级别：硕士

功率半导体器件作为在新能源发电并网、柔性交直流输电、电动汽车及充电装置、轨道交通电力牵引等领域中关键但最易失效的部件,其运行状态监测和健康评估对降低系统的全寿命周期成本,提高系统整体性能有着重要意义。随着高压、大电流应... 详细信息

功率半导体器件作为在新能源发电并网、柔性交直流输电、电动汽车及充电装置、轨道交通电力牵引等领域中关键但最易失效的部件,其运行状态监测和健康评估对降低系统的全寿命周期成本,提高系统整体性能有着重要意义。随着高压、大电流应用领域对功率变换器需求的增加,以IGBT为主的功率半导体器件向大容量、标准模块化方向发展,通过多芯片并联模块的形式满足功率密度需求。多芯片并联模块由于具有复杂空间结构,存在电流分布不均、温度分布不均等电热特性,导致不均匀老化。由于并联芯片连接于同一终端,基于模块端部电热特性参数的状态监测方法不能对模块内部不均匀老化进行监测,同时模块部分并联芯片的老化失效与模块整体老化失效存在非线性关系。因此,多芯片并联IGBT模块的状态监测和健康评估面临更多的挑战。围绕多芯片并联模块不均匀老化状态评估的问题,本文以广泛应用的多芯片并联IGBT模块为研究对象,基于多物理场有限元仿真技术,结合功率模块失效机理,对多芯片并联IGBT模块老化失效过程中的电热磁特性参量退化规律进行研究,甄选适用于多芯片并联IGBT模块的老化状态监测参量,并针对键合线脱落和焊料层老化两种主要失效模式建立健康状态评估模型,实现多芯片并联IGBT模块失效模式判别、健康状态量化评估和老化芯片定位。本论文的主要内容包括以下几个方面:（1）基于多芯片并联IGBT模块稳态等效电路模型,定性分析其电热磁特性在老化过程中的退化;通过多物理场有限元仿真软件COMSOL,建立多芯片并联IGBT模块电-热-磁耦合的高保真有限元仿真模型,其中利用输出特性曲线计算IGBT芯片的等效电阻并考虑其对温度的依赖性,精确模拟IGBT导通特性,并根据运行环境对模型激励与边界条件进行等效设定;通过与数据手册及稳态恒导通实验结果对比,验证有限元模型的有效性,为后续老化失效过程中模块电热磁特性参量的退化规律提供研究基础。（2）基于电-热-磁有限元模型,分析键合线脱落过程中模块电热磁特性参量退化规律;对比分析不同特征参量对键合线脱落响应的灵敏度,甄选灵敏度高且易于监测的特征参量作为多芯片并联模块键合线老化状态监测参量。结果表明磁感应强度的灵敏度更高,且不受环境温度变化的影响,同时由于导通电流与磁感应强度具有线性关系,可将不同导通电流下磁感应强度折算至相同电流下进行对比。因此,基于磁感应强度变化建立多芯片并联IGBT模块的健康状态评估模型,根据老化特征参量与键合线脱落数量的映射关系,确定评价指标并划分健康状态区间,定位出现键合线脱落的芯片并量化芯片不可靠度,结合故障树分析法量化评估模块整体健康状态。通过实验对健康评估模型的准确性进行验证,该状态监测方法不需要改变或接触模块内部电路。（3）针对焊料层老化,对模块电热磁特性参量退化规律进行分析。通过对比分析不同特征参量对焊料层老化响应的灵敏度,发现磁感应强度与芯片电流变化具有一致性,二者均具有高灵敏度且不受环境温度变化的影响,而磁感应强度不需要改变或接触模块内部电路,更易于监测,因此确定磁感应强度为多芯片并联模块焊料层老化状态监测参量。同时,针对多芯片焊料层不均匀老化,老化芯片与健康芯片对应的磁感应强度之比能够独立量化评估老化芯片焊料层的老化程度。因此,建立基于磁感应强度比值的多芯片并联IGBT模块健康状态评估模型,根据磁感应强度变化定位老化芯片并通过磁感应强度比值量化芯片不可靠度,结合故障树分析法量化评估模块整体健康状态,并通过实验验证了健康评估模型的准确性。最后,提出基于磁感应强度总和变化的老化失效模式判别方法,实现对多芯片并联IGBT模块老化失效模式的判定及模块健康状态的量化评估。

关键词：多芯片并联IGBT 磁感应强度键合线脱落焊料层老化状态评估

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基于有限元方法的IGBT热模型仿真

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电力科学与工程 2019年第6期35卷 15-22页

作者：孙海峰王亚楠华北电力大学电气与电子工程学院

随着集成电路的发展,绝缘栅双极晶体管(IGBT)对电磁脉冲的敏感性增高,造成器件的疲劳与老化,IGBT模块失效将导致功率变流器故障,为了提高功率变流器的稳定性,保证电子设备能够正常工作,研究电磁脉冲对IGBT的影响是很有必要的。基于有限... 详细信息

随着集成电路的发展,绝缘栅双极晶体管(IGBT)对电磁脉冲的敏感性增高,造成器件的疲劳与老化,IGBT模块失效将导致功率变流器故障,为了提高功率变流器的稳定性,保证电子设备能够正常工作,研究电磁脉冲对IGBT的影响是很有必要的。基于有限元软件COMSOL建立的IGBT三维热模型,分析了IGBT在稳态以及瞬态下结温变化规律。研究了IGBT在单脉冲和周期脉冲作用下的热累积效应,捕获并比较了IGBT中的瞬态热响应和峰值温度,分析了IGBT在焊料层不同老化状态下的温度场。结果表明温度最大值出现在芯片中心,且脉冲功率幅值、脉宽、波形、频率等因素都会对结温有不同程度的影响,严重时将会导致模块失效。另外,焊料层老化导致导热系数降低,从而改变了热流的传递过程,使得热流从芯片传递到芯片焊料层所需的时间减少,导致器件更易发生损坏。因此,研究结果可为IGBT的设计及运行状态提供一定的参考。

关键词： IGBT 热模型电磁脉冲热效应焊料层老化

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