Просмотры:0 Автор:Pедактор сайта Время публикации: 2025-11-13 Происхождение:中微聚智
IGBT — это новый тип силового полупроводникового устройства, сочетающий в себе преимущества BJT (биполярный транзистор) и MOSFET (полевой транзистор металл-оксид-полупроводник), отличающийся высоким напряжением, большим током, высоким входным сопротивлением, низкой мощностью возбуждения и высокой скоростью переключения. Он пользуется чрезвычайно высоким спросом в таких приложениях, как системы управления серводвигателями ракет, лазерное оружие и системы управления полетом истребителей. Его надежность во многом определяет надежность всего устройства. Поскольку рабочее напряжение и ток IGBT увеличиваются, а размер кристалла постоянно уменьшается, плотность мощности чипа резко возрастает, что делает рассеяние тепла и надежность ключевыми проблемами, которые необходимо решить.
Керамические подложки являются наиболее широко используемыми ключевыми материалами для модулей IGBT, обладают превосходной теплопроводностью, термостойкостью, изоляционными свойствами и низким коэффициентом расширения и подходят для соединения алюминиевых проводов. Керамические подложки, плакированные медью, состоят из слоя металлической схемы и керамического слоя. Из-за значительной разницы в тепловом расширении керамики и металла термическое напряжение, возникающее во время использования, может привести к растрескиванию и разрушению подложки. Трещины обычно возникают в местах концентрации напряжений или высокой деформации материала. После достаточного количества циклов в местах концентрации напряжений или высоких деформаций материала возникают трещины, а дальнейшее расширение трещин происходит под действием циклических нагрузок до полного разрушения материала. Поэтому исследование надежности термоциклирования керамических подложек имеет большое значение.
Материалы DBC (керамическая медная плата ) для модулей IGBT в основном включают три типа: керамическую подложку из оксида алюминия, керамическую подложку из нитрида алюминия и керамическую подложку из нитрида кремния.
● Al2O3 — наиболее часто используемый материал, обладающий превосходной изоляцией, химической стабильностью и механическими свойствами. Процесс относительно зрелый, стоимость низкая, но Al2O3 имеет низкую теплопроводность, и его коэффициент теплового расширения не соответствует коэффициенту теплового расширения полупроводниковых чипов (обычно Si имеет 2,8×10-6·K-1). Подходит для модулей IGBT средней и малой мощности.
● AlN имеет высокую теплопроводность, примерно в 6 раз превышающую теплопроводность Al2O3. Его коэффициент теплового расширения относительно совместим с полупроводниковыми чипами. Однако напрямую покрыть медь на ее поверхности сложно, а стоимость примерно в 4 раза выше, чем у Al2O3. AlN может разлагаться на гидратированный оксид алюминия при более высоких температурах и повышенной влажности. Его прочность на изгиб и вязкость разрушения относительно низки, что делает его склонным к растрескиванию во время термоциклирования после сварки, что влияет на надежность всего силового модуля. Подходит для мощных модулей IGBT.
● Коэффициент теплового расширения Si₃N₄ лучше всего соответствует полупроводниковому чипу. Его механические свойства более чем в два раза выше, чем у Al₂O₃ и AlN, его теплопроводность более чем в 2,5 раза выше, чем у Al₂O₃, он обладает высокой температурной легкостью, отличной термостойкостью, а его стоимость примерно в 2,5 раза выше, чем у Al₂O₃. Для мощных модулей IGBT в настоящее время оптимальным материалом является нитрид кремния.
Чтобы убедиться, что IGBT соответствует требованиям оценки уровня JM2, необходимо оценить надежность IGBT. В настоящее время широко используемым методом является испытание на циклическое изменение температуры. IGBT нагревается и охлаждается в целом с помощью камеры для испытаний на температурный шок, вызывая изменения температуры по всему модулю. В соответствии с требованиями GJB128A «Методы испытаний полупроводниковых дискретных устройств» диапазон температур составляет от -55 до 150 ℃, время переноса не должно превышать 1 минуты, а время выдержки не должно быть менее 10 минут. В стандарте IEC60749-25 «Испытания полупроводниковых приборов на механические и климатические изменения. Часть 25: Циклическое изменение температуры» время выдержки должно составлять ≥ 15 минут. Поэтому время проведения испытания на циклическое изменение температуры было увеличено до 30 минут, чтобы проверить надежность керамической подложки.
Определить способность IGBT выдерживать экстремально высокие и низкие температуры, а также влияние попеременного воздействия таких экстремальных температур на выдерживаемое напряжение изоляции IGBT. Кроме того, изучить соответствующие явления отказов IGBT с течением времени в суровых условиях использования и хранения.
Перед испытанием необходимо подтвердить, что температурный шкаф оборудования находится в пределах срока действия калибровки, чтобы обеспечить достоверность результатов испытаний. Размещение модуля должно гарантировать, что он не будет препятствовать потоку воздуха внутри испытательной камеры. Температурные условия испытаний: от -55 до 150 ℃, время выдержки 30 минут, всего 1000 циклов. Время перехода между горячей зоной и холодной зоной не должно превышать 1 минуты. После испытания испытание изоляции на выдерживаемое напряжение должно быть проведено в течение 8 часов, чтобы оно было эффективным.
Керамическая подложка представляет собой трехслойную композитную структуру из двух материалов, состоящую из меди, керамики и меди. Во время испытания на циклическое изменение температуры, когда подложка в целом равномерно подвергается температурным нагрузкам, изменяющимся во времени, из-за несоответствия коэффициентов термического расширения меди и керамики и наличия ограничений по деформации, на границе раздела возникает концентрация напряжений, особенно при резких геометрических изменениях (обычно называемых особыми точками).
Когда внешняя температурная нагрузка достигает 150℃, медный слой на керамической подложке подвергается пластической деформации. В процессе термоциклирования пластическая деформация медного слоя значительно накапливается, и концентрация напряжений происходит в точке резкого геометрического изменения медного слоя и керамической границы раздела. Из-за относительно слабой сингулярности напряжений на конце интерфейса, когда на границе раздела возникает концентрация напряжений, разрушение связующего материала начинается с места концентрации напряжений, что приводит к образованию трещин. В то же время в процессе производства керамической подложки существует значительная разница от температуры 1066 ℃ до комнатной температуры, и подложка имеет определенное остаточное напряжение. Это приведет к тому, что трещина отклонится от первоначального направления и распространится на керамическую матрицу, что приведет к разрушению. Кроме того, керамика формируется путем порошкового спекания, и в качестве присущих ей дефектов присутствуют очень мелкие трещины или пустоты. Эти присущие дефекты также будут действовать как слабые места керамической матрицы и вызывать распространение трещины в направлении дефекта. После того, как трещина продлится определенную длину, она продолжает расширяться в направлении, параллельном границе раздела, что в конечном итоге приводит к полному разрушению подложки.
Двадцать модулей IGBT с AlN, Si3N4, Al2O3 в качестве керамических подложек и 9% циркония, добавленного к Al2O3, были использованы для 500 циклов (уровень JM2) и 1000 циклов (уровень JM3) испытаний на циклическое изменение температуры. Перед испытаниями на модулях были проведены испытания изоляции на выдерживаемое напряжение. Испытание изоляции выдерживаемым напряжением проводилось при 100-м цикле, а затем каждые 50 циклов до 1000-го цикла.
Подложка AlN имела отказ выдерживаемого напряжения изоляции 1 модуля в 200-м случае, отказы выдерживаемого напряжения изоляции 2 модулей в 250-м случае и еще 2 модуля выдерживания напряжения изоляции в 300-м случае. В результате у всех 5 модулей произошли сбои выдерживаемого напряжения изоляции. В 500-м случае также было обнаружено нарушение выдерживаемого напряжения изоляции 3 модулей Al2O3. После 1000 температурных циклов выдерживаемое напряжение изоляции керамических подложек Si3N4 и Al2O3 (легированных 9% циркония) было подтверждено. Это доказывает рациональность теоретического анализа распространения трещин в керамических подложках. Надежность AlN уступает надежности Si3N4 и Al2O3, а надежность Al2O3 уступает надежности Si3N4.
Взяв в качестве объекта исследования модуль IGBT 650 В/200 А, стационарное температурное поле различных керамических подложек было смоделировано с использованием метода конечных элементов ANSYS. Сравнивались тепловые сопротивления различных подложек, чтобы найти наилучшее решение по теплопроводности.
При тех же условиях электропитания и теплообмена максимальная установившаяся рабочая температура модуля Al2O3 IGBT составила 125,39 ℃, что соответствует нижней температуре 103,00 ℃, а тепловое сопротивление составило 0,022 ℃/Вт. Самая высокая установившаяся рабочая температура чипа FRD составила 89,95 ℃, что соответствует нижней температуре 65,21 ℃, а тепловое сопротивление составило 0,049 ℃/Вт.
При одинаковых условиях энерго- и теплообмена максимальная стабильная рабочая температура модуля IGBT с использованием Si3N4 составляет 117,75 ℃, при этом нижняя температура составляет 104,74 ℃, а термическое сопротивление составляет 0,013 ℃/Вт. Максимальная стабильная рабочая температура чипа FRD составляет 82,08 ℃, нижняя температура — 64,65 ℃, а термическое сопротивление — 0,036 ℃/Вт.
При тех же условиях электропитания и теплообмена максимальная установившаяся рабочая температура модуля IGBT с использованием AlN составляет 116,76 ℃, что соответствует нижней температуре 101,10 ℃ и термическому сопротивлению 0,015 ℃/Вт. Максимальная устойчивая рабочая температура чипа FRD составляет 80,93 ℃, что соответствует нижней температуре 63,82 ℃ и термическому сопротивлению 0,034 ℃/Вт.
Сравнение структур IGBT и термического сопротивления различных керамических материалов показывает, что термическое сопротивление AlN и Si3N4 сопоставимо, тогда как теплопроводность Al2O3 относительно низкая, а значение его термического сопротивления выше.
В этой статье было проведено испытание на циклическое изменение температуры с использованием модуля IGBT 650 В/200 А. По результатам испытаний были сделаны следующие выводы:
● Выход из строя керамической подложки произошел на краю подложки рядом с местом пайки на керамической стороне.
● Учитывая, что фактическая обработка подложек из нитрида алюминия в два раза толще, чем подложек из нитрида кремния, с использованием метода конечных элементов ANSYS была создана модель с различным термическим сопротивлением DBC. Результаты расчетов показали, что термическое сопротивление подложки из нитрида алюминия соответствует термическому сопротивлению подложки из нитрида кремния.
● Характеристики ламината из керамики нитрида кремния с медным покрытием являются лучшими. Высоконадежные модули IGBT должны использовать нитрид кремния в качестве материала подложки.
Пожалуйста, свяжитесь с нами в любое время, если вам потребуется дополнительная информация.
