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上海洁净室精密设备搬移|半导体SMT设备搬运|半导体设备搬运移位定位

2023-01-10  来自: 亚瑟半导体设备安装(上海)有限公司 浏览次数:236

上海洁净室精密设备搬移|半导体SMT设备搬运|半导体设备搬运移位定位的亚瑟报道:绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)器件内部通过并联大量芯片保证其关断能力,当并联芯片的参数分散性较大时,器件的关断能力会不可避免的退化。因而,研究 IGBT 器件关断能力提升的参数筛选方法非常重要。为此,本文首先分析了并联两 IGBT 芯片关断失效的特征及关键的影响因素,并‌‌半‍导‌体‍设‌备‍搬‌运‍给出了并联 IGBT 芯片动态闩锁失效的电压电流波形。波形表明,关断重分配的电流不均令并联芯片在关断时承受不同应力,从而导致 IGBT 器件的关断能力退化。此外,上述过程受芯片阈值电压,转移特性曲线等诸多参数影响,因此需要通过多参数筛选以提升器件的关断能力。所以,本文总结了 300 组芯片并联关断的实验结果,研究了并联芯片参数差异与关断均流的关系,并提出联芯片的关断均流的参数筛选方法,从而提升器件的关断能力。实验结果表明,通过筛选栅极阈值电压、转移特性曲线以及等效跨导可以有效保证芯片在 1.8 倍额定电流下的关断电流差峰值小于 10%,验证了所提方法的有效性。‌‌半‍导‌体‍设‌备‍搬‌运‍绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)器件作为全控型电压驱动的电力电子器件,已经被广泛的应用于轨道交通、航空航天和电力系统等诸多领域。作为能量转换的关键设备,IGBT 器件的失效问题及其失效特征一直是器件研究‌‌半‍导‌体‍设‌备‍搬‌运‍尤其是 IGBT 器件的感性负载关断失效,其失效工况接近于器件实际运行工况,近 20 年,已有诸多机构和学者对其开展了广泛而深入的研究。与此同时,考虑到单颗 IGBT 芯片的通流能力有限,在工程实际中,往往将多颗 IGBT芯片或 IGBT 子模组并联成器件使用。但是,由于并联 IGBT 芯片间封装参数、芯片参数等不同,并联芯片间理想的均流是难以实现的。这会进一步导致并 IGBT 器件的关断能力退化,严重危害器件的安全稳定运行。

目前,针对 IGBT 器件的感性负载关断失效的研究已被广泛开展。1998 年,美国伊利诺伊大学的M. Trivedi 等通过半导体数值仿真研究了感性负载下 IGBT 芯片的关断失效。1999,M. Trivedi 等‌‌半‍导‌体‍设‌备‍搬‌运‍对比了短路工况关断和感性负载关断时 IGBT元胞内部的电热分布规律。研究表明,感性负载关断失效的机理不同于短路关断失效,因此,在芯片的优化方法上也应加以区别。之后,巴塞罗那微电子研究中心的 X. Perpina 等人研究了焊接型IGBT 器件的关断失效特征。通过半导体数值仿真,X. Perpina 等人‌‌半‍导‌体‍设‌备‍搬‌运‍发现了 IGBT 芯片在感性负载条件下关断失效的两种失效机理,分别是动态闩锁失效以及二次击穿失效。其中,动态闩锁失效的特征为栅极附近的电流聚集,而二次击穿失效则在 P 阱/N 漂移区结中有明显温度升高。加入IGBT交流群,加微信:tuoke08。综上所述,现有研究主要关注关断时 IGBT 元胞内部的电热物理场分布情况。而由于器件内部芯片电流的测量手段有限,目前尚未见对器件失效时芯片间的相互作用的报道。因此,IGBT 器件的关断失效与其并联芯片关断均流间的关系仍需进一步的研究‌‌半‍导‌体‍设‌备‍搬‌运‍虽被较少的关注与研究,并联 IGBT 芯片的关断均流对 IGBT 器件的关断能力影响也很大。2007年,阿尔斯通公式与苏黎世联邦理工大学的 A.Castellazzi 合作,研究了其公司 3.3 kV/1200 A 焊接型器件的关断动态闩锁失效。研究表明,器件内并联 IGBT 芯片的支路寄生电感不同,会导致并联芯片运行过程中出现电流不均,进而导致 IGBT器件的关断能力退化。2022 年,华北电力大学的彭程等人自主研制了压接型 IGBT 芯片并联实验平台。改平台通过两独立的压力夹具,实现了压力-寄生电感-温度影响因素的解耦。并通过控制变量,综合研究分析了影响 IGBT 芯片并联均流的外部影响因素。不仅寄生参数对器件的均流影响很大,IGBT芯片的参数分散性与并联均流的关系也十分重要。1996 年,塞米控公司的 C. Wong 等通过统计的方法研究了 IGBT 芯片通态管压降的分散性与芯片结温的关系。之后,德国西门子公司的 J. Weigel 等通过实验研究对比了不同动静态参数的 IGBT 器件并联后的动态特性,但其实验对比组数较少。2018 年,德国罗斯托克大学的 R. Schrader 等人通过半导体数值仿真研究表明,并联芯片关断时的重分配过程是由于并联芯片的电流下降率不同导致的。仿真展示了芯片关断延迟时间差异和芯片关断电流差峰值的强相关性和统计特性。因此,R.Schrader 等人提出通过筛选芯片的关断延迟时间保证并联 IGBT 芯片的关断均流。虽然芯片参数分散性与芯片并联均流的研究已被广泛开展,但是多是通过‌‌半‍导‌体‍设‌备‍搬‌运‍段,与实际工况中情况仍存在差异。同时,影响芯片关断过程的参数众多,且参数分散性存在统计规律,只有通过大量实验研究,才能有效得到芯片参数筛选方法‌‌半‍导‌体‍设‌备‍搬‌运‍根据目前研究可知,IGBT 芯片以及器件的关断失效的问题已经被广泛关注。但是,目前研究多聚焦于 IGBT 元胞内部的电热特性。对 IGBT 器件关断失效和器件内并联均流的关系仍需进一步研究。同时,由于我国国产 IGBT 器件的起步较晚,工艺的稳定性亟待加强,芯片分散性较国外厂商仍较大。所以,通过实验研究并联 IGBT 芯片关断能力提升的参数筛选方法是十分重要的。‌‌半‍导‌体‍设‌备‍搬‌运‍为此,本文首先研究了两并联 IGBT 芯片的关断失效,掌握了 IGBT 器件动态闩锁失效与器件内IGBT 芯片并联均流的关系。在文中‌‌半‍导‌体‍设‌备‍搬‌运‍给出了并联芯片动态闩锁失效的电压电流波形。而后,通过总结 300 组并联 IGBT 芯片的关断实验结果,总结得到了 IGBT 芯片关断均流的关键参数,并提出了对应的关断均流参数筛选方法。最后,文章验证了所提筛选方法的有效性,从而通过保证芯片的关断均流提升了 IGBT 器件的关断能力。


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