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igbt模块键合引线断裂故障的热形变场特性分析及应用

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IGBT模块键合引线断裂故障的热形变场特性分析及应用

作者：罗俊电子科技大学

学位级别：硕士

绝缘栅双极晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor,igbt）具有容量大、开关速率快、容易驱动、导通电压低、输入阻抗高等优点,是电力电子领域的核心半导体功率器件。igbt模块在工作时经受长期的功率循环,因为温度变化和内部材料的... 详细信息

绝缘栅双极晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor,igbt）具有容量大、开关速率快、容易驱动、导通电压低、输入阻抗高等优点,是电力电子领域的核心半导体功率器件。igbt模块在工作时经受长期的功率循环,因为温度变化和内部材料的热膨胀系数不匹配,在键合引线和芯片之间会产生热应力,引起热形变。此热形变问题是导致igbt键合引线故障的关键因素之一,因此对igbt模块键合引线故障的热形变场特性分析及应用的研究具有重要意义。目前,关于igbt模块热机特性的研究仍侧重于采用仿真的手段去探究模块的温度和应力分布特性,尚未有针对igbt模块键合引线故障下的热形变场特性开展全面深入的研究。因此,本文拟从有限元仿真和实验测试两方面对igbt模块键合引线断裂故障的热形变场特性进行全面的分析,并利用获取的热形变场分布规律,开展基于热形变场信号的键合引线故障诊断应用。论文具体工作和主要研究内容如下:（1）从理论上研究了igbt键合引线故障下的热形变场特性,建立了igbt模块的有限元仿真模型,总结了热形变信号的波动特性和热形变场分布规律。此外,对比了键合引线完好和故障状况下的热形变场分布特性,结果表明键合引线断裂处的热形变波动幅值减小了82%,而未断裂处的热形变幅值平均增长了35%。（2）从实验上探究了igbt键合引线故障下的热形变场特性,搭建了igbt热形变测试平台,完成了igbt芯片热形变信号的二维平面扫描测试并获取了相应的数据,设计了一种基于igbt芯片空间位置的热形变场可视化重构方法,得到了热形变场分布云图,分析了igbt键合引线故障下的热形变场特性,并与有限元仿真进行了对比分析,结果表明实验测试与仿真结论吻合良好。（3）基于热形变场分布特性提出了一种igbt键合引线的故障诊断方法,构建了不同的热形变样本数据集,对比分析了支持向量机、循环神经网络和卷积神经网络三种数据分类算法的结果,并优化选取了最佳算法,结果表明对于键合引线完好和故障的热形变场二分类问题,基于卷积神经网络的方法平均准确率达到了98.8%。本文以仿真和实验的手段,逐步深入探究了igbt模块键合引线完好与故障状态下的热形变场特性,并结合数据分类算法进行了键合引线故障诊断,为igbt模块出厂前的性能测试提供了新的方法,为igbt模块热机可靠性研究做出了一定贡献,进而为实现高效率与高精度的键合引线故障诊断方法奠定了基础。

关键词： igbt模块键合引线热形变场特性故障诊断

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igbt模块剩余寿命预测方法研究

IGBT模块剩余寿命预测方法研究

作者：马强河北工业大学

学位级别：硕士

绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,igbt)模块作为高压大功率变流器中的关键器件,其可靠性对变流器至关重要。实际应用中,igbt模块承载着复杂的电-热循环应力,导致功率模块不断疲劳累积损伤,造成模块老化失效。因此... 详细信息

绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,igbt)模块作为高压大功率变流器中的关键器件,其可靠性对变流器至关重要。实际应用中,igbt模块承载着复杂的电-热循环应力,导致功率模块不断疲劳累积损伤,造成模块老化失效。因此,为了减少因igbt模块疲劳失效造成的损失,研究igbt模块失效机理,评估模块健康状态,利用不同寿命模型综合预估模块的剩余寿命,对变流器中igbt模块的运行维护具有重要的理论和实用价值。本文的主要研究内容如下:基于理论分析和有限元建模仿真,研究igbt模块封装失效机理。通过建立igbt模块电-热-力多物理场耦合模型,开展焊料层和键合线相关失效机理研究,进而分析模块热疲劳失效的主要影响因素;定量分析焊料层空洞的大小、位置以及分布对结温和应力分布的影响规律,进而探索焊料层空洞融合生长的动态模型;研究键合线脱落和断裂的失效过程及其失效机理,进而定量仿真分析键合线裂纹和脱落演化对igbt模块温度、应力的影响规律;基于有限元分析探索igbt模块封装失效的演化过程,探究表征模块健康状态的特征参数。开展igbt模块状态监测与评估方法研究,并进行相关实验验证。研究igbt模块端口电特性,从物理机理角度分析饱和压降及其温敏特性,探索建立基于饱和压降的结温监测模型;研究igbt模块热特性、模块瞬态热阻抗及热网络模型参数获取方法与实验验证方法,以及利用热阻参数对焊料层老化程度评估的方法;研究igbt模块封装老化对电-热特征参数的影响和循环老化实验验证。以光伏系统为背景,研究igbt模块的剩余寿命预测方法。结合某地区实际光照强度和气温数据,研究光伏工况下igbt模块结温计算模型和方法。进而研究工况下基于失效机理的芯片焊料层损伤累积寿命预测方法;以及研究工况下基于解析模型的igbt模块损伤累积寿命预测方法。最后,通过案例分析及结果对比,验证本文寿命模型的有效性。

关键词： igbt模块有限元分析失效机理状态监测剩余寿命预测

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igbt模块封装热应力研究

IGBT模块封装热应力研究

作者：翟超浙江大学

学位级别：硕士

为解决igbt模块封装在实际应用的热应力引起的可靠性问题以提高模块封装的寿命等问题,将有限元仿真技术应用到实际可靠性温度循环试验中。本文开展多层结构的封装热应力理论分析,建立层状结构的最大封装热应力和igbt模块封装在实际应用... 详细信息

为解决igbt模块封装在实际应用的热应力引起的可靠性问题以提高模块封装的寿命等问题,将有限元仿真技术应用到实际可靠性温度循环试验中。本文开展多层结构的封装热应力理论分析,建立层状结构的最大封装热应力和igbt模块封装在实际应用中分层率之间的关系,提出通过计算模块在工作环境下的温度变化的产生的最大封装热应力来预测模块实际使用过程中分层率的变化情况的方法。进行igbt模块封装的温度循环可靠性试验.结果表明通过利用最大封装热应力来预测igbt模块封装分层率的方法与实验结果相吻合,计算结果比较精确。

关键词： igbt模块热应力可靠性有限元温度循环

基于BP神经网络的igbt模块开关损耗求解

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高压电器 2019年第7期55卷 27-32页

作者：唐波刘任江浩田孙睿吴卓三峡大学电气与新能源学院

如何准确求解绝缘栅双极晶体管(igbt)模块的开关损耗值,是电力变换器性能和寿命研究中的关键问题之一。针对现有igbt开关损耗模型难以准确求解开关损耗值的缺陷,引入了基于粒子群算法优化的误差反向传播(BP)前馈神经网络模型。将影响开... 详细信息

如何准确求解绝缘栅双极晶体管(igbt)模块的开关损耗值,是电力变换器性能和寿命研究中的关键问题之一。针对现有igbt开关损耗模型难以准确求解开关损耗值的缺陷,引入了基于粒子群算法优化的误差反向传播(BP)前馈神经网络模型。将影响开关损耗的5个主要因素(集射工作电压、集电极电流、驱动电压、驱动电阻、结温)作为BP神经网络的输入向量,并采用粒子群算法优化网络的初始权值与阀值,通过共轭梯度法的学习规则加速收敛,从而获得开关损耗的精确求解值。该模型实现了在额定值范围内对各种工况下的igbt模块开关损耗值的可靠预测,其在100组测试验证样本下所出现的最大误差比率为3.85%。

关键词： igbt模块开关损耗损耗影响因素 BP神经网络粒子群算法

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igbt模块键合线设计及可靠性研究

IGBT模块键合线设计及可靠性研究

作者：覃麒境西安电子科技大学

学位级别：硕士

igbt作为能源转换和传输的核心器件,具有高效节能、高电压、大电流、高频率和易于开关等性能,适用于各类需要交流电和直流电转换及高低电压转换的应用场景,可提高用电效率和质量,被广泛应用在消费电子(汽车电子、家用电器、变频白色家电... 详细信息

igbt作为能源转换和传输的核心器件,具有高效节能、高电压、大电流、高频率和易于开关等性能,适用于各类需要交流电和直流电转换及高低电压转换的应用场景,可提高用电效率和质量,被广泛应用在消费电子(汽车电子、家用电器、变频白色家电)和工业(轨道交通、智能电网、交通运输)领域。在国际节能环保的大趋势下,igbt模块下游的新能源汽车、变频家电、新能源发电等领域发展迅速,对igbt模块需求逐步扩大,新兴行业的加速发展将持续推动igbt市场的高速增长。由于igbt对设计及工艺要求较高,而国内缺乏igbt相关技术人才、工艺基础薄弱且企业产业化起步较晚,因此igbt市场长期被大型国外跨国企业垄断。在国家利好政策的推动下,中国igbt行业取得了一定的技术进步,推动了中国igbt国产化进程。通过以igbt模块键合线为研究对象,在建立igbt模块电-热-力多场耦合模型的基础上,对正常工作和部分键合线脱落时的温度和剪切应力进行了综合分析。本篇论文主要解决igbt模块50 A电流的均流以及热量集中分布问题,通过采用定量分析,参数对比,有限元分析等方法,使用Solid Works画图软件构建模型以及有限元仿真软件ANSYS模拟键合线的线径、线高、弧高、线长等问题进行模拟分析,最终得出满足50 A过流的均流以及散热分布均匀的igbt模块键合线设计方案,所得到的结果成为最终设计方案,然后进行小批量生产,由于没有考虑工艺的影响,所以实际产品与仿真结果存在误差,通过可靠性试验检验所设计的igbt模块能否满足工作需求和寿命要求,并依据可靠性数据预测igbt模块使用寿命,验证igbt模块键合线设计方案。键合线的合理设计可以提高igbt模块的工作寿命;芯片表面结温和芯片中心对应于底板的温度均与键合线脱落根数落呈线性关系;键合线脱落故障不会造成模块的层结构损伤而使芯片到底板的稳态热阻抗增大。论文通过可靠性试验加速igbt模块的工作过程,进一步研究igbt键合线失效与电气参数的关系。在理论、仿真和测试方面都做了研究,尤其通过大量的可靠性试验数据分析键合线和芯片的性能,对于过程状态检测分析igbt模块的电气参数,为判定键合线设计的合理性提供重要的参考依据,同时所使用的设计方法和验证方案对于其他功率器件的设计具有参考依据。

关键词： igbt模块键合线设计电-热-力多场耦合模型可靠性

基于失效演化模拟的电力机车用igbt模块解析剩余寿命建模研究

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中国电机工程学报 2023年

作者：赖伟李涵锐李辉荆海燕于凯姚然陈民铀中车永济电机有限公司输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室(重庆大学电气工程学院)

牵引变流器作为电力机车系统中最关键且故障率最高的设备影响系统的安全，其中igbt模块是导致牵引变流器失效的主要部件。开展igbt模块剩余寿命准确评估，对降低运维成本和系统故障率具有重要的战略价值和经济意义。而目前采用“里程修... 详细信息

牵引变流器作为电力机车系统中最关键且故障率最高的设备影响系统的安全，其中igbt模块是导致牵引变流器失效的主要部件。开展igbt模块剩余寿命准确评估，对降低运维成本和系统故障率具有重要的战略价值和经济意义。而目前采用“里程修”的运维方式，其未考虑机车运行线路、工况、负载差异等因素对寿命的影响，导致一些线路过早更换的高昂运维成本和一些线路过晚替换的系统停运风险。因此，在牵引系统igbt模块故障率高、运行线路间可靠性差异大且采用不合理的“里程修”方式背景下，目前业界普遍关心的问题：各线路基于固定里程修更换的igbt模块剩余寿命是多少。本文针对电力机车用igbt模块剩余寿命准确评估的问题，以igbt模块焊料层不同服役里程空洞尺寸分布规律为基础，建立考虑焊料层空洞空间分布规律的精细化多物理场模型，开展多芯片并联igbt模块失效演化物理过程模拟，提出以焊料层空洞分布统计规律为老化状态的电力机车用igbt模块解析剩余寿命预测模拟，并通过功率循环试验验证改进模型准确性。研究成果丰富功率器件的寿命预测和可靠性评估理论，为系统从“里程修”向“状态修”转变提供科学依据。

关键词：电力机车 igbt模块形态演化模拟剩余寿命模型

双馈风电变流器igbt模块的损耗与结温准确计算模型及规律研究

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高压电器 2017年第10期53卷 198-203页

作者：李治中哈立原锡林郭勒职业学院内蒙古锡林郭勒026000

为了解决交变热应力大范围波动会导致igbt模块稳定性大幅下降,引起双馈风电变流器igbt模块故障频发的问题,基于解析解理论以及不同损耗分析方法并结合双馈风电变流器实际运行特性,建立了igbt模块功率损耗以及机侧、网侧结温稳态模型,并... 详细信息

为了解决交变热应力大范围波动会导致igbt模块稳定性大幅下降,引起双馈风电变流器igbt模块故障频发的问题,基于解析解理论以及不同损耗分析方法并结合双馈风电变流器实际运行特性,建立了igbt模块功率损耗以及机侧、网侧结温稳态模型,并且分析了其在不同工况下的变化特性。结果表明,风速对机侧以及网侧变流器igbt模块的功损耗以及结温变化特性影响较大,最终得到基于开关周期理论所建模型更加适用于分析igbt模块结温以及损耗的精确模拟。双馈风电用机侧变流器igbt稳态结温波动幅值随风速的增大而增大。

关键词：双馈风电机组变流器 igbt模块损耗结温

漏电低短路能力强的3300V igbt模块

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固体电子学研究与进展 2022年第2期42卷 81-85,98页

作者：高东岳叶枫叶张大华骆健高晋文南瑞集团(国网电力科学研究院)有限公司南京211100 南瑞联研半导体有限责任公司南京211100 国网山西省电力公司检修分公司太原030032

为实现满足电网应用要求的短路能力强、反向偏置安全工作区大、工作结温高的3300 V高压绝缘栅场效应晶体管模块,提出了一种具有N型增强层的igbt元胞结构,采用P型隔离区的元胞布局结构和台阶形场板的保护环结构的igbt设计。基于203.2 mm(... 详细信息

为实现满足电网应用要求的短路能力强、反向偏置安全工作区大、工作结温高的3300 V高压绝缘栅场效应晶体管模块,提出了一种具有N型增强层的igbt元胞结构,采用P型隔离区的元胞布局结构和台阶形场板的保护环结构的igbt设计。基于203.2 mm(8英寸)平面栅igbt加工工艺,制作出的芯片封装成3300 V/1500 A的igbt模块。模块常温下的饱和压降(VCEsat)为2.55 V,动态总损耗(Etot)为5236 mJ;高温150℃下的VCEsat为3.3 V,集电极和发射极间的漏电流(ICES)只有38 mA,Etot为7157 mJ。在常温时,当栅极和发射极电压(VGE)为18.5 V的条件下,模块通过了一类短路测试。在150℃下,模块通过了2.5倍额定电流的反向偏置关断测试。

关键词：反向偏置安全工作区元胞结构保护环结构短路测试 igbt模块

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高功率密度igbt模块的研发与特性分析

机车电传动 2014年第2期 6-11页

作者：刘国友覃荣震黄建伟 Ian Deviny 罗海辉 Rupert Stevens 吴义伯株洲南车时代电气股份有限公司功率半导体研发中心

基于现有标准DMOS设计技术,通过优化高压igbt&FRD芯片及其模块结构,降低芯片功耗、模块寄生电感和模块热阻,改善模块散热,提高最高工作温度。研究开发了高功率密度1 500 A/3 300 V、1 200 A/4 500 V及750 A/6 500 V igbt模块,满足轨道... 详细信息

基于现有标准DMOS设计技术,通过优化高压igbt&FRD芯片及其模块结构,降低芯片功耗、模块寄生电感和模块热阻,改善模块散热,提高最高工作温度。研究开发了高功率密度1 500 A/3 300 V、1 200 A/4 500 V及750 A/6 500 V igbt模块,满足轨道交通的应用要求。

关键词： igbt模块高功率密度特性研发 DMOS 模块结构寄生电感工作温度