脈沖功率系統(tǒng)中IGBT模塊封裝的研究.pdf

1、脈沖功率源是高功率微波領域主要的研究方向之一，緊湊、固態(tài)化是脈沖功率技術目前重要的發(fā)展方向，脈沖功率系統(tǒng)的性能往往受開關性能的影響。以半導體開關作為系統(tǒng)主開關，逐漸成為脈沖功率源的發(fā)展方向，功率IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor)器件也因此得到了廣泛的關注。單個IGBT器件的電壓和電流的承受能力有限，不能滿足脈沖功率系統(tǒng)的要求，對IGBT器件進行串并聯(lián)操作，會造成系統(tǒng)的體積和回路電感增大。隨著半導

2、體技術與制造工藝的發(fā)展，采用裸芯陣列封裝，可以有效地解決上述問題。因此，基于IGBT的封裝設計是脈沖功率系統(tǒng)研制的關鍵問題之一。本文在已有研究的基礎上，設計了IGBT串并聯(lián)封裝模塊，并進行可靠性仿真分析。
　　首先介紹了以IGBT作為主開關的脈沖功率系統(tǒng)研究現(xiàn)狀和IGBT裸芯串并聯(lián)封裝的發(fā)展歷程，分析其中的優(yōu)缺點及存在的關鍵問題。對IGBT的基本特性、工作原理和對驅動電路的要求進行介紹，調(diào)研分析了IGBT串并聯(lián)均壓均流電路，并對比

3、分析了封裝材料的性能和芯片表面互連材料特性。
　　然后對IGBT單管性能進行了詳細的分析，主要包括器件的選型、極限電流及耐壓分析等。采用平面變壓器為基礎的電壓型驅動方式，設計IGBT的快速驅動電路，并通過實驗測試驗證了設計方案的可行性。實驗結果表明，在工作電壓1kV，負載3.8Ω條件下，集電極電流上升速率di/dt(10％～90％)達到9.75A/ns。在此基礎上，設計符合脈沖功率系統(tǒng)中開關要求的串聯(lián)均壓電路和反向電壓保護電路，并

4、對電路中元器件的選型進行介紹。設計5kV、1kA的IGBT封裝模塊的內(nèi)部結構，整個IGBT封裝模塊尺寸為68mm*55mm*5mm，并對封裝模塊進行寄生參數(shù)提取和電氣絕緣分析。
　　最后為評估封裝模塊的可靠性，建立IGBT模塊損耗模型和熱仿真模型，對封裝模塊進行熱分析，并對封裝模塊較為薄弱的焊接層進行熱應力分析，主要包括芯片焊接材料、基板焊接材料的形變和非彈性應變，評估焊接材料的可靠性。通過IGBT模塊的失效機理，分別從芯片間鍵合