脈沖功率系統(tǒng)中IGBT模塊封裝的研究.pdf

1、脈沖功率源是高功率微波領(lǐng)域主要的研究方向之一，緊湊、固態(tài)化是脈沖功率技術(shù)目前重要的發(fā)展方向，脈沖功率系統(tǒng)的性能往往受開關(guān)性能的影響。以半導(dǎo)體開關(guān)作為系統(tǒng)主開關(guān)，逐漸成為脈沖功率源的發(fā)展方向，功率IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor)器件也因此得到了廣泛的關(guān)注。單個(gè)IGBT器件的電壓和電流的承受能力有限，不能滿足脈沖功率系統(tǒng)的要求，對(duì)IGBT器件進(jìn)行串并聯(lián)操作，會(huì)造成系統(tǒng)的體積和回路電感增大。隨著半導(dǎo)

2、體技術(shù)與制造工藝的發(fā)展，采用裸芯陣列封裝，可以有效地解決上述問題。因此，基于IGBT的封裝設(shè)計(jì)是脈沖功率系統(tǒng)研制的關(guān)鍵問題之一。本文在已有研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了IGBT串并聯(lián)封裝模塊，并進(jìn)行可靠性仿真分析。
　　首先介紹了以IGBT作為主開關(guān)的脈沖功率系統(tǒng)研究現(xiàn)狀和IGBT裸芯串并聯(lián)封裝的發(fā)展歷程，分析其中的優(yōu)缺點(diǎn)及存在的關(guān)鍵問題。對(duì)IGBT的基本特性、工作原理和對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的要求進(jìn)行介紹，調(diào)研分析了IGBT串并聯(lián)均壓均流電路，并對(duì)比

3、分析了封裝材料的性能和芯片表面互連材料特性。
　　然后對(duì)IGBT單管性能進(jìn)行了詳細(xì)的分析，主要包括器件的選型、極限電流及耐壓分析等。采用平面變壓器為基礎(chǔ)的電壓型驅(qū)動(dòng)方式，設(shè)計(jì)IGBT的快速驅(qū)動(dòng)電路，并通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在工作電壓1kV，負(fù)載3.8Ω條件下，集電極電流上升速率di/dt(10％～90％)達(dá)到9.75A/ns。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)符合脈沖功率系統(tǒng)中開關(guān)要求的串聯(lián)均壓電路和反向電壓保護(hù)電路，并

4、對(duì)電路中元器件的選型進(jìn)行介紹。設(shè)計(jì)5kV、1kA的IGBT封裝模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，整個(gè)IGBT封裝模塊尺寸為68mm*55mm*5mm，并對(duì)封裝模塊進(jìn)行寄生參數(shù)提取和電氣絕緣分析。
　　最后為評(píng)估封裝模塊的可靠性，建立IGBT模塊損耗模型和熱仿真模型，對(duì)封裝模塊進(jìn)行熱分析，并對(duì)封裝模塊較為薄弱的焊接層進(jìn)行熱應(yīng)力分析，主要包括芯片焊接材料、基板焊接材料的形變和非彈性應(yīng)變，評(píng)估焊接材料的可靠性。通過IGBT模塊的失效機(jī)理，分別從芯片間鍵合