直接覆铜陶瓷层上层铺金属对IGBT模块可靠性影响

摘要

绝缘栅双极晶体管(IGBT)集合了场效应管和双极晶体管的优点，由于具有高输入阻抗及低导通压降的特点而被广泛的应用在电力转换及功率系统中。但 IGBT模块在使用过程中器件的功率耗散很大，会产生大量的热，从而降低模块的可靠性。因此越来越多的人致力于从焊料层、引线键合、模块寿命预测模型等方面研究IGBT模块的可靠性问题。
　　本文通过有限元仿真软件建立 IGBT模块典型封装模型，通过对建立的IGBT封装模型进行热力耦合仿真研究焊料层可靠性；制备同仿真一样的IGBT封装模块，其中芯片的参数是650V/30A。对该模块利用温度循环实验来验证仿真的结果。同时通过功率循环实验，采取Coffin-Manson预测模型对制备的IGBT模块进行寿命预测。
　　有限元仿真结果表明直接覆铜陶瓷层(DBC)板上层铺金属布局对模块焊料层可靠性有影响，且温度循环实验在一定程度上验证了该结论。在保证载流能力一定的条件下，在大块铺金属间增加适当网格，仿真结果显示焊料层间所受应力可减小50％，有助于提高模块可靠性。通过Coffin-Manson寿命预测模型对650V/30A的IGBT芯片封装模块在7.5A电流下进行寿命预测，预测出寿命周期为445720次；且对模块在16A电流下进行寿命预测与实际实验验证，结果表明预测寿命周期的误差为2.93%。

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1 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文研究内容

2 IGBT模块失效机理

2.1 IGBT的结构特点和工作原理

2.2 IGBT失效及可靠性考核方法

2.3寿命评估

2.4本章小结

3 DBC板上层金属布局对焊料层可靠性影响

3.1有限元分析和ANSYS软件概述

3.2热力仿真

3.3 温度循环实验

3.4布局优化

3.5 本章小结

4 基于Coffin-Manson模型对模块进行寿命预测

4.1 Coffin-Manson模型

4.2 功率循环实验

4.3 实验数据处理及验证

4.4本章小结

5 总结和未来展望

致谢

参考文献

附录 攻读硕士学位期间发表的论文