- 頭條華電科研特稿：壓接型IGBT芯片動態特性實驗平臺的設計與實現2021-12-15 作者：彭程 李學寶 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語壓接型IGBT器件內部芯片在運行過程中承受著電-熱-力多物理量的綜合作用，由此引起的IGBT芯片特性差異會嚴重影響壓接型IGBT器件的工作性能，研究電-熱-力影響下的IGBT 芯片動態特性對于指導IGBT芯片建模以及規模化IGBT并聯封裝設計具有重要意義。
團隊介紹
彭程，博士研究生，研究方向為高壓大功率半導體器件封裝。
李學寶，華北電力大學電氣與電子工程學院副教授，是本文通訊作者，主要研究領域為高壓大功率電力電子器件封裝。目前主持國家自然科學基金項目2項。發表SCI/EI收錄論文60余篇，其中以第一或通信作者發表/錄用SCI論文30篇，獲省部級一等獎3項；現任《High Voltage》副編輯、中國電機工程學會電工理論與新技術專業委員會第八屆委員會秘書長等。
團隊隸屬于新能源電力系統國家重點實驗室（華北電力大學），團隊學術帶頭人為崔翔教授。自2012起圍繞高壓大功率電力電子器件國產化研制與全球能源互聯網研究院有限公司合作開展研究，聚焦高壓（3.3kV以上）Si、SiC基MOSFET和IGBT器件封裝領域，圍繞芯片建模與特性分析、多芯片并聯均流、封裝絕緣特性分析以及封裝中的多物理場分析與調控等問題，支撐高壓大功率IGBT器件國產化研制。承擔的國家項目包括國家自然科學基金-智能電網聯合基金重點項目1項、面上項目1項、國家重點研發計劃課題1項以及子課題4項。
項目研究背景
相比于傳統的焊接型IGBT模塊，壓接型IGBT器件依靠機械壓力將內部IGBT芯片并聯連接在一起，取消了焊接型IGBT模塊中常用的綁定線連接，使其具有雙面散熱、失效短路、功率密度大等優點。
隨著壓接型IGBT器件功率等級的增加，對芯片研發和封裝集成技術也提出了諸多挑戰。難點之一是在于復雜電-熱-力條件下器件內部大量IGBT芯片之間的并聯均流問題。因此全面研究壓接型IGBT芯片的動態特性及其影響因素對于規模化芯片并聯電流均衡具有重要意義。
論文所解決的問題及意義
本文針對電-熱-力綜合作用下壓接型IGBT芯片動態特性測試需求，對實驗平臺的關鍵問題進行了仿真計算和實驗驗證。所研制平臺具有回路寄生電感小、芯片表面受力均衡及機械夾具溫度分布合理的特點。可以滿足不同電壓、機械壓力及溫度下壓接型IGBT芯片動態特性測試的需求，為壓接型IGBT芯片動態特性測試提供了實驗基礎。
論文方法及創新點
本文采用仿真計算指導平臺設計、實驗驗證定量指標的方法對壓接型IGBT芯片動態特性測試的三個關鍵問題進行了闡述。建立了多因素獨立可調的壓接型IGBT芯片動態特性實驗平臺。
實驗平臺主體結構
創新點1 提出了連接母排寄生電感較低的設計方案，通過有限元計算軟件對不同連接母排結構和不同母排尺寸的寄生電感進行了提取，所采用的對稱疊層母排方案，連接母排電感僅為45.6nH，并且通過實驗結果驗證電壓過沖百分比可以控制在2.35%，滿足了壓接型IGBT芯片雙脈沖實驗的要求。
圖1 不同連接母排結構
圖2 雙脈沖實驗電壓過沖
創新點2 提出了雙面球碗壓力均衡結構，解決了由于壓力夾具各組件的加工精度造成的平行度問題和壓力夾具在人為裝配過程存在的偏心問題，改善了壓接型IGBT芯片表面的應力分布，芯片表面受力不均衡度由46.7%降低到2.6%，滿足了壓接型IGBT芯片雙脈沖實驗中壓力均衡調節的要求。
圖3 芯片表面壓力分布計算結果
圖4 芯片表面壓力分布實驗結果
創新點3 設計了可靈活調節溫度的加熱模塊，通過熱電偶的反饋作用與PID控制中心調控加熱板的輸出功率，從而保證加熱板溫度的準確性和穩定性，采用環氧樹脂板來控制熱量流動減小壓接型IGBT芯片結溫的誤差，由25.60%降低到0.27%，滿足了壓接型IGBT芯片雙脈沖實驗中溫度均衡調節的要求。
圖5 壓力夾具各組件溫度分布計算結果
圖6 機械夾具各組件溫度分布實驗結果
結論
基于仿真分析和實驗結果，可以得到以下結論：
1）通過疊層母排結構及合理的母排尺寸設計，減小了實驗回路的寄生電感，實驗測得本文母排的寄生電感僅為42.42nH，滿足雙脈沖測試的需求。
2）采用雙面球碗結構有效地改善了壓接型IGBT芯片表面受力不均的問題，實驗結果表明，雙面球碗結構使芯片表面受力不均衡度由46.7%降低到2.6%，在1～3倍額定機械壓力下均能保證壓接型IGBT芯片的安全測試。
3）采用環氧樹脂板改善了壓力夾具各組件溫度分布，實驗結果表明，合理的環氧樹脂板位置使IGBT芯片結溫誤差由25.60%降低到0.27%，有效地減小了壓接型IGBT芯片結溫誤差對動態特性測試的影響。
引用本文
彭程, 李學寶, 張冠柔, 趙志斌, 崔翔. 壓接型IGBT芯片動態特性實驗平臺設計與實現[J]. 電工技術學報, 2021, 36(12): 2471-2481. Peng Cheng, Li Xuebao, Zhang Guanrou, Zhao Zhibin, Cui Xiang. Design and Implementation of an Experimental Platform for Dynamic Characteristics of Press-Pack IGBT Chip. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(12): 2471-2481.
