IGBT器件热可靠性的研究

诞生于1982年的IGBT,是新型高频大功率电力半导体器件中的代表性器件,自问世以来以其独特、不可取代的功能,迅速应用到了国民经济中的各行各业,表现出极强的生命力和发展潜力。 对于大功率器件IGBT来说,器件常常工作在高压大电流的条件下,在耗散功率时,器件的温度会大幅度升高,温度分布也变得不均匀。而半导体器件对温度非常敏感,高温可能引起器件功能异常、导致器件工作不稳定,甚至会由于温度过高造成器件烧坏,破坏整个系统。由于过热引起的IGBT器件的失效占了很大的比例。目前,提高器件的可靠性以及研究器件的失效机理成为国内外研究的热点。本文从IGBT器件的热可靠性入手,研究了IGBT热阻测试方法及利用由热阻测试得到的结构函数曲线检测器件封装质量的方法,接着利用ANSYS有限元分析软件研究了IGBT在功率循环、温度循环等热可靠性考核试验下常见的失效模式并针对这些常见的失效模式在IGBT的封装结构设计上提出了改进方法。该方面研究对提高器件质量具有理论意义和应用价值。 热阻是一个非常重要的热学参数,准确测试热阻对于了解器件的可靠性非常重要。传统的热阻测试方法粗略地认为芯片以及壳温温度分布是均匀的,这样不可避免的导致在热阻测试过程中出现较大偏差。本文提出使用瞬态双界面法测试器件的热阻,该方法无需测试壳温,从而避免了在壳温测试过程中引入的误差。并通过同ANSYS软件的仿真结果进行对比,验证了这种测试方法的准确性。通过测试热阻得到的器件的结构函数,可以描述热量传播路径过程中的热容、热阻的变化情况。利用这一特性,可以通过对比正常器件与失效器件的结构函数曲线,找出器件失效位置的所在,并可以定量的表示器件的失效程度。 采用3步来研究IGBT器件失效机理。首先通过ANSYS软件仿真的方式,研究了IGBT器件在功率循环和温度循环两种可靠性考核方式下常常会出现的失效模式,包括焊料层分层、裂纹,芯片、陶瓷断裂,铝键合线翘曲、融熔等。接下来对容易出现问题的焊料层及引线进行了分别的研究。对焊料层的研究是从焊料层最容易出现的问题即焊料层空洞入手,研究了焊料层空洞的大小及分布对器件性能的影响,分别对焊料层的厚度及材料的选择对器件散热性能及应力的影响进行了分析。对引线的研究主要从引线的翘曲程度、横截面积及排列方式对器件的影响等关键要素入手,为引线的制作工艺指明了方向。最后对模块整体的传热性能的改良进行了相关的设计,主要是从基板的材料及其厚度,陶瓷的材料及其厚度以及焊料层、引线选择来分析,确定了最佳的散热方案。