IGBT執(zhí)阻熱譜和熱瞬態(tài)過程的研究.pdf

1、在信息化社會(huì)的今天，半導(dǎo)體技術(shù)飛速發(fā)展，半導(dǎo)體產(chǎn)品正在改變著人們的生活。在軌道交通、工業(yè)生產(chǎn)、汽車電子、高壓輸電、軍民用飛機(jī)船舶等領(lǐng)域，需要具有高電壓、大電流處理能力的功率電力電子器件，以實(shí)現(xiàn)電能變換和控制。電力電子器件最初的產(chǎn)品是整流管、晶閘管、功率MOSFET、大功率GTR等產(chǎn)品、但是這些產(chǎn)品都有著自身的缺點(diǎn)。IGBT（絕緣柵雙極晶體管）是一種近些年來(lái)應(yīng)用廣泛，迅猛發(fā)展的一種功率電力電子器件。IGBT既具有功率MOSFET電壓控制和

2、開關(guān)速度快的優(yōu)點(diǎn)，又具有雙極晶體管導(dǎo)通電壓低、載流能力大的優(yōu)點(diǎn)。此外，它還具有易集成的優(yōu)點(diǎn)，可以與一些外圍電路如過壓過流保護(hù)電路共同集成在一個(gè)芯片內(nèi)，而且我們可以將許多IGBT單元串聯(lián)組成智能化的IGBT模塊。IGBT使電力電子設(shè)備的頻率、功率、可靠性等在內(nèi)的綜合性能得到了極大的提升。
　　IGBT功率器件工作時(shí)間一般較長(zhǎng)、耗散功率大、且工作環(huán)境惡劣，其熱學(xué)可靠性對(duì)器件的正常工作影響重大。據(jù)美國(guó)航天中心的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，55％的器件

3、的失效是源于熱學(xué)失效。本論文主要對(duì)IGBT的熱學(xué)可靠性展開研究，具體分為三個(gè)方面:
　　(1)熱阻研究:熱阻是反應(yīng)器件熱學(xué)性能的重要參數(shù)，熱阻微觀上可以理解為載流子對(duì)熱的傳導(dǎo)能力，熱阻值的大小反應(yīng)器件對(duì)熱流的傳導(dǎo)與發(fā)散能力。熱阻傳統(tǒng)上被認(rèn)為是器件的固有性質(zhì)，但是通過我們大量的實(shí)驗(yàn)證明，熱阻值與測(cè)試環(huán)境有很大關(guān)系。另一方面，我們對(duì)熱阻的兩種定義方法進(jìn)行相關(guān)的分析和評(píng)價(jià)。熱阻共有兩種定義標(biāo)準(zhǔn)，分別是國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)定義的熱阻測(cè)

4、試標(biāo)準(zhǔn)和固態(tài)協(xié)會(huì)(JEDEC)定義的熱阻測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)的熱阻測(cè)試方法基于穩(wěn)態(tài)過程，不足之處是殼溫測(cè)試誤差大。為克服這個(gè)缺點(diǎn)固態(tài)協(xié)會(huì)定義了一種新的方法測(cè)試熱阻，這種方法基于熱瞬態(tài)過程，不涉及到殼溫的測(cè)量，但是固態(tài)協(xié)會(huì)的標(biāo)準(zhǔn)也有自己的缺點(diǎn)，論文將對(duì)兩種方法進(jìn)行詳細(xì)的介紹和評(píng)價(jià)。
　　(2)熱譜研究:晶體管pn結(jié)溫度傳統(tǒng)上常被假設(shè)為均勻的，標(biāo)準(zhǔn)電學(xué)法是獲得均勻結(jié)溫的一種方法。但是通過拍攝晶體管工作情況下的紅外熱像圖可

5、以發(fā)現(xiàn)的結(jié)內(nèi)溫度分布十分不均勻，由此說(shuō)明這種假設(shè)是不成立的。得到晶體管結(jié)溫分布對(duì)于熱阻的測(cè)量、最大施加功率的選擇、整機(jī)的可靠性有著十分重要的意義。用紅外熱像儀雖然可以得到晶體管的結(jié)溫分布，但是其測(cè)試成本高、檢測(cè)過程對(duì)器件有破壞性損傷。我們創(chuàng)造性的利用電學(xué)方法得到晶體管的熱譜（結(jié)溫分布譜）。這種方法的理論基礎(chǔ)是小電流過趨熱效應(yīng)、熱譜理想算法等等，主要參數(shù)是峰值結(jié)溫和有效面積。電學(xué)法得到晶體管熱譜方便簡(jiǎn)潔、對(duì)器件無(wú)破壞性，電學(xué)法進(jìn)行熱譜分析

6、在晶體管熱可靠研究領(lǐng)域有著重大實(shí)用價(jià)值。
　　(3)基于熱瞬態(tài)的封裝檢測(cè):分析晶體管的熱特性時(shí)，我們一般分析晶體管的穩(wěn)態(tài)過程，得到穩(wěn)態(tài)下被測(cè)器件的結(jié)溫、殼溫、或者環(huán)境溫度等參數(shù)。但是穩(wěn)態(tài)過程涉及的參考點(diǎn)少，反映的信息量較少。結(jié)溫上升過程或者下降過程是瞬態(tài)過程，瞬態(tài)過程持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，反映信息量大。我們利用先進(jìn)的設(shè)備，以極短的時(shí)間間隔采集瞬態(tài)時(shí)的溫度變化信息，通過處理，我們可以得到器件熱通路的各層材料的結(jié)構(gòu)特征。此外通過最終得到的結(jié)構(gòu)函