基于双脉冲测试的IGBT功率模块失效分析

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功率半导体器件是调节电子系统效率、尺寸和成本的基本部件,在电子工程的各项领域中得到了广泛的应用,而IGBT(绝缘栅双极晶体管)作为现代电力电子领域中的典型设备,自1980年IGBT晶体管问世以来,IGBT技术就得到了迅速的发展,作为主要的电源转换设备,涵盖了从几十瓦到几十兆瓦的电力电子应用,它的市场容量远远优于传统整流器,具有很高的生命力和发展潜力。该器件是一种新型的复合器件,由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成,解决了早期高耐压、大电流、大功率器件栅极不易控制的问题,具有开关速度高、饱和压降低等优点。此外IGBT封装的功率模块也被广泛应用在新能源汽车、高铁和飞机上,并且已经成为了主要的应用设备。因此,研究IGBT功率模块的失效是至关重要的。首先本文介绍了IGBT功率模块的基本结构、封装工艺和工作原理,再介绍了IGBT芯片的基本结构和工作原理,着重介绍其电气特性,具体分析功率半导体器件的静态特性,通过电容和电阻对开关性能的影响介绍了IGBT的动态特性,最后再介绍了IGBT的安全工作区。其次简要概括IGBT功率模块的测试原理和方法,根据IGBT功率模块的测试原理,使用软件Solidworks和Auto CAD建模仿真IGBT模块的测试平台,并搭建实验平台,为进一步分析模块失效提供测试平台。基于双脉冲测试研究IGBT功率模块的失效。最后总结出一套研究IGBT功率模块的失效分析流程:包括对失效模块进行外观检查以及失效前后模块外观和环境的对比,再对失效前后的脉冲波形图对比等,对模块整体进行电测,并去除外部封装对内部进行显微镜检测和电子扫描显微镜的检测,对失效点进行定位,对芯片进行电子扫描显微镜的观察,使用搭建的测试平台对失效模块进行还原失效,确定失效机理,综合分析确定失效原因,提出纠正措施。为今后研究IGBT功率模块失效提供技术路线和改进措施,以及如何在应用中规避类似的失效形式,并且根据失效的形式和模式研究不同失效故障的相关性。本文主要针对IGBT模块的雪崩击穿、电子迁移和键合线失效进行分析。
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