压接式SiC MOSFET功率器件的封装设计及芯片老化研究

摘要

功率器件是电力系统中的核心器件。电力系统功率等级的提高对功率器件的功率等级及可靠性等提出了更高要求。功率器件性能是由芯片性能以及封装性能决定，因此提升器件性能主要有采用高性能的SiC芯片以及研究新型封装形式两方面。目前SiC MOSFET芯片的设计及制造已经成熟，但其长期处于高温工作环境，高温下老化机理不明的问题。在封装方面，目前功率器件采用的大多是焊接型封装，焊接型封装热阻高，杂散参数大，易出现焊接层分层，电流不均匀等问题，限制了功率器件的功率等级及可靠性的提升。而压接式封装由于热阻低，杂散参数小，无键合线及焊接层，不会出现焊接层分层，是提高器件功率等级及可靠性的可能途径。尽管国内外压接式封装研究已取得重要进展，但压接式封装内部电流以及温度分布不均匀的问题仍未得到有效解决。因此本文针对目前电力系统的对高功率等级、高可靠性功率器件的迫切需求，开展压接式SiC MOSFET器件的封装研究，重点对器件封装进行优化设计，解决器件内部芯片的电流和温度分布不均匀的问题；同时探究SiC MOSFET芯片高温下的老化机理，为高可靠性功率芯片的研制提供依据。　　本文主要工作如下：　　①分析了电力系统对高性能功率器件的需求，在调研压接式封装以及SiC MOSFET芯片老化研究的国内外现状的基础上，提出了本文研究目标以及本文的研究内容。　　②研究了封装电极引入的杂散参数对器件电学性能的影响。　　③建立了压接器件的热－力耦合模型，分析了各部件的粗糙度与接触压力对器件热性能的影响，在此基础上，提出了封装工艺对接触压力和粗糙度的要求。　　④设计了3种子模块分布和2种端盖形状的封装，分析了不同封装的温度分布以及电流分布，获得了电流以及温度分布均匀的封装形式。　　⑤制作出了压接式SiC MOSFET器件样品，完成了器件的静态测试。　　⑥搭建了高温电应力老化试验平台，进行了SiC MOSFET芯片高温电应力老化试验，分析了SiC MOSFET芯片的老化机理。

目录

1 绪论

1.1 选题背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 压接式封装的研究现状

1.2.2 SiC MOSFET芯片老化研究现状

1.3 本文的研究目标和主要研究内容

研究目标

研究内容

2 压接式SiC MOSFET的封装及芯片老化试验方法

2.1 SiC MOSFET元胞结构与工作原理

2.2 压接型封装结构

2.3 封装测试电路

2.4 电流均匀性测试方法

2.5 加速应力试验方法

3 器件封装设计及样品制作

3.1 压接子模块结构

3.2 接触压强与粗糙度对子模块热阻的影响

3.3 子模块封装杂散参数对电流均匀性的影响

3.3.1 漏极封装杂散参数的影响

3.3.2 源极封装杂散参数的影响

3.3.3 栅极封装杂散参数的影响

3.4.1 不同封装结构

3.4.2 不同封装结构的力学性能比较

3.4.3 不同封装结构的热学性能比较

3.4.4 不同封装结构的电学性能比较

3.5 压接封装的电磁场分析

3.6 器件封装及静态性能测试

①模块封装

②静态性能测试

3.7 本章小结

4 SiC MOSFET 芯片的高温电应力老化研究

4.1 SiC MOSFET芯片高温电应力老化试验

4.1.1 高温电应力老化试验平台

4.1.2 HTGB和HTRB试验结果分析

4.1.3 栅偏循环试验分析

4.2 老化机理分析

4.2.1 栅极偏置电压对阈值电压的影响

4.2.2 高温对阈值电压的影响

4.3 本章小结

5 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

附 录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B. 学位论文数据集

致 谢