團(tuán)隊(duì)介紹

彭程，博士研究生，研究方向?yàn)楦邏捍蠊β拾雽?dǎo)體器件封裝。

李學(xué)寶，華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院副教授，是本文通訊作者，主要研究領(lǐng)域?yàn)楦邏捍蠊β孰娏﹄娮悠骷庋b。目前主持國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目2項(xiàng)。發(fā)表SCI/EI收錄論文60余篇，其中以第一或通信作者發(fā)表/錄用SCI論文30篇，獲省部級(jí)一等獎(jiǎng)3項(xiàng)；現(xiàn)任《High Voltage》副編輯、中國(guó)電機(jī)工程學(xué)會(huì)電工理論與新技術(shù)專業(yè)委員會(huì)第八屆委員會(huì)秘書長(zhǎng)等。

團(tuán)隊(duì)隸屬于新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華北電力大學(xué)），團(tuán)隊(duì)學(xué)術(shù)帶頭人為崔翔教授。自2012起圍繞高壓大功率電力電子器件國(guó)產(chǎn)化研制與全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司合作開展研究，聚焦高壓（3.3kV以上）Si、SiC基MOSFET和IGBT器件封裝領(lǐng)域，圍繞芯片建模與特性分析、多芯片并聯(lián)均流、封裝絕緣特性分析以及封裝中的多物理場(chǎng)分析與調(diào)控等問題，支撐高壓大功率IGBT器件國(guó)產(chǎn)化研制。承擔(dān)的國(guó)家項(xiàng)目包括國(guó)家自然科學(xué)基金-智能電網(wǎng)聯(lián)合基金重點(diǎn)項(xiàng)目1項(xiàng)、面上項(xiàng)目1項(xiàng)、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題1項(xiàng)以及子課題4項(xiàng)。

項(xiàng)目研究背景

相比于傳統(tǒng)的焊接型IGBT模塊，壓接型IGBT器件依靠機(jī)械壓力將內(nèi)部IGBT芯片并聯(lián)連接在一起，取消了焊接型IGBT模塊中常用的綁定線連接，使其具有雙面散熱、失效短路、功率密度大等優(yōu)點(diǎn)。

隨著壓接型IGBT器件功率等級(jí)的增加，對(duì)芯片研發(fā)和封裝集成技術(shù)也提出了諸多挑戰(zhàn)。難點(diǎn)之一是在于復(fù)雜電-熱-力條件下器件內(nèi)部大量IGBT芯片之間的并聯(lián)均流問題。因此全面研究壓接型IGBT芯片的動(dòng)態(tài)特性及其影響因素對(duì)于規(guī)模化芯片并聯(lián)電流均衡具有重要意義。

論文所解決的問題及意義

本文針對(duì)電-熱-力綜合作用下壓接型IGBT芯片動(dòng)態(tài)特性測(cè)試需求，對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的關(guān)鍵問題進(jìn)行了仿真計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。所研制平臺(tái)具有回路寄生電感小、芯片表面受力均衡及機(jī)械夾具溫度分布合理的特點(diǎn)。可以滿足不同電壓、機(jī)械壓力及溫度下壓接型IGBT芯片動(dòng)態(tài)特性測(cè)試的需求，為壓接型IGBT芯片動(dòng)態(tài)特性測(cè)試提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

論文方法及創(chuàng)新點(diǎn)

本文采用仿真計(jì)算指導(dǎo)平臺(tái)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證定量指標(biāo)的方法對(duì)壓接型IGBT芯片動(dòng)態(tài)特性測(cè)試的三個(gè)關(guān)鍵問題進(jìn)行了闡述。建立了多因素獨(dú)立可調(diào)的壓接型IGBT芯片動(dòng)態(tài)特性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主體結(jié)構(gòu)

創(chuàng)新點(diǎn)1 提出了連接母排寄生電感較低的設(shè)計(jì)方案，通過有限元計(jì)算軟件對(duì)不同連接母排結(jié)構(gòu)和不同母排尺寸的寄生電感進(jìn)行了提取，所采用的對(duì)稱疊層母排方案，連接母排電感僅為45.6nH，并且通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證電壓過沖百分比可以控制在2.35%，滿足了壓接型IGBT芯片雙脈沖實(shí)驗(yàn)的要求。

圖1 不同連接母排結(jié)構(gòu)

圖2 雙脈沖實(shí)驗(yàn)電壓過沖

創(chuàng)新點(diǎn)2 提出了雙面球碗壓力均衡結(jié)構(gòu)，解決了由于壓力夾具各組件的加工精度造成的平行度問題和壓力夾具在人為裝配過程存在的偏心問題，改善了壓接型IGBT芯片表面的應(yīng)力分布，芯片表面受力不均衡度由46.7%降低到2.6%，滿足了壓接型IGBT芯片雙脈沖實(shí)驗(yàn)中壓力均衡調(diào)節(jié)的要求。

圖3 芯片表面壓力分布計(jì)算結(jié)果

圖4 芯片表面壓力分布實(shí)驗(yàn)結(jié)果

創(chuàng)新點(diǎn)3 設(shè)計(jì)了可靈活調(diào)節(jié)溫度的加熱模塊，通過熱電偶的反饋?zhàn)饔门cPID控制中心調(diào)控加熱板的輸出功率，從而保證加熱板溫度的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，采用環(huán)氧樹脂板來控制熱量流動(dòng)減小壓接型IGBT芯片結(jié)溫的誤差，由25.60%降低到0.27%，滿足了壓接型IGBT芯片雙脈沖實(shí)驗(yàn)中溫度均衡調(diào)節(jié)的要求。

圖5 壓力夾具各組件溫度分布計(jì)算結(jié)果

圖6 機(jī)械夾具各組件溫度分布實(shí)驗(yàn)結(jié)果

結(jié)論

基于仿真分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以得到以下結(jié)論：

1）通過疊層母排結(jié)構(gòu)及合理的母排尺寸設(shè)計(jì)，減小了實(shí)驗(yàn)回路的寄生電感，實(shí)驗(yàn)測(cè)得本文母排的寄生電感僅為42.42nH，滿足雙脈沖測(cè)試的需求。

2）采用雙面球碗結(jié)構(gòu)有效地改善了壓接型IGBT芯片表面受力不均的問題，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，雙面球碗結(jié)構(gòu)使芯片表面受力不均衡度由46.7%降低到2.6%，在1～3倍額定機(jī)械壓力下均能保證壓接型IGBT芯片的安全測(cè)試。

3）采用環(huán)氧樹脂板改善了壓力夾具各組件溫度分布，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，合理的環(huán)氧樹脂板位置使IGBT芯片結(jié)溫誤差由25.60%降低到0.27%，有效地減小了壓接型IGBT芯片結(jié)溫誤差對(duì)動(dòng)態(tài)特性測(cè)試的影響。

引用本文

彭程, 李學(xué)寶, 張冠柔, 趙志斌, 崔翔. 壓接型IGBT芯片動(dòng)態(tài)特性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2021, 36(12): 2471-2481. Peng Cheng, Li Xuebao, Zhang Guanrou, Zhao Zhibin, Cui Xiang. Design and Implementation of an Experimental Platform for Dynamic Characteristics of Press-Pack IGBT Chip. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(12): 2471-2481.