壓接型IGBT芯片動態特性實驗平臺設計與實現

彭 程 李學寶 張冠柔 趙志斌 崔 翔

壓接型IGBT芯片動態特性實驗平臺設計與實現

彭 程 李學寶 張冠柔 趙志斌 崔 翔

（新能源電力系統國家重點實驗室（華北電力大學）北京 102206）

壓接型IGBT芯片在正常的運行工況下承受著電-熱-力多物理量的綜合作用，研究電-熱-力影響下的IGBT芯片動態特性對于指導IGBT芯片建模以及規?；疘GBT并聯封裝設計具有重要意義。為了全面獲得電-熱-力綜合影響下壓接型IGBT芯片的動態特性，該文結合雙脈沖測試電路原理，研制出具備電-熱-力靈活調節的壓接型IGBT芯片動態特性實驗平臺。通過對動態特性實驗平臺關鍵問題進行有限元仿真計算，實現平臺回路寄生電感、IGBT芯片表面壓力分布及機械夾具溫度分布的優化設計。在此基礎上建立壓接型IGBT芯片動態特性實驗平臺，對實驗平臺進行綜合調試，結果表明，該文所設計的實驗平臺具有寄生電感小、IGBT芯片表面壓力分布均衡及機械夾具各組件溫度分布合理的特點，可以滿足電-熱-力綜合影響因素下壓接型IGBT芯片動態特性實驗的需求。

壓接型IGBT芯片 動態特性 寄生電感 溫度 機械壓力

0 引言

絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）自20世紀80年代被發明以來，經過幾十年的發展，已經成為功率半導體器件的主流，在電力變換領域占據了非常重要的地位[1-2]。相比于傳統的焊接型IGBT模塊，壓接型IGBT器件依靠機械壓力將內部IGBT芯片并聯連接在一起，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、功率密度大等優點，在高壓大功率領域得到了廣泛的應用[3-5]。

雖然壓接型IGBT器件具有諸多優點，但對功率芯片研發和封裝集成技術也提出了諸多挑戰[6]。難點之一是復雜電-熱-力條件下器件內部大量IGBT芯片之間的并聯均流問題[7]。并聯均流問題可分為靜態均流和動態均流，相比于靜態均流，動態均流問題更加嚴峻[8-9]。原因在于IGBT芯片動態特性在生產之初便已存在一定分散性，并且與芯片工作時的溫度、機械壓力等環境變量之間具有耦合關系[10-13]，因此全面研究壓接型IGBT芯片的動態特性及其影響因素對于規?；酒⒙撾娏骶饩哂兄匾饬x。對此，國內外一些學者對壓接型IGBT芯片動態特性開展了理論方面的研究，通過建立內部機理模型來反映IGBT芯片的外特性，例如，通過溫度改變載流子壽命影響IGBT芯片特性，通過壓力改變載流子遷移率和半導體形變來影響IGBT芯片特性，這些模型對于推動芯片研發和封裝設計具有一定的指導意義[14-15]。另外，一些學者開展了實驗研究，浙江大學通過優化母排設計研制出了壓接型IGBT器件級的動態特性實驗平臺，平臺具有高電壓、大電流及低寄生電感的特點[16]。重慶大學研制了壓接型IGBT芯片級均流實驗平臺，得到了電-熱-力耦合關系下靜態均流特性[17]，另外現有的商業化功率測試儀通常采用測IGBT裸片的方法得到其動態特性，但這種方法不能反映壓接型IGBT芯片的實際工況。根據目前的研究進展，尚未有針對壓接型IGBT芯片的動態特性實驗平臺。因此亟需研制一款綜合考慮電-熱-力影響下的壓接型IGBT芯片動態特性實驗平臺。

本文結合壓接型IGBT器件封裝的特點，首先，提出了在電-熱-力影響因素下，壓接型IGBT芯片動態特性實驗平臺的設計要求；其次，對各個技術要求分別進行了寄生電感、溫度和壓力的仿真計算，并提出了合理的設計方案；最后，綜合各個影響因素研制出了具有實驗回路寄生電感小、芯片表面壓力分布均勻及機械夾具溫度分布合理的實驗平臺，為壓接型IGBT芯片動態特性測試提供了實驗基礎。

1 實驗原理及設計要求

1.1 雙脈沖測試電路原理

在IGBT動態特性的測試中，一般采用IEC標準中的二極管鉗位感性負載測試電路，又叫做雙脈沖測試電路[18]，其基本電路如圖1所示。

圖1 雙脈沖測試電路

圖1中包含充放電回路與實驗回路兩部分。其中二極管采用快恢復二極管（Fast Recovery Diode, FRD），充放電回路為母線電容提供實驗回路所需的母線電壓。實驗回路通過調節驅動觸發源的脈沖寬度來獲得雙脈沖實驗波形，波形示意圖如圖2所示。

首先由高壓直流電源為母線電容充電至IGBT測試所需電壓。在0時刻，IGBT導通，經過0～1建立IGBT動態特性測試所需的電流；在1時刻，IGBT關斷，負載電感電流由IGBT換流到FRD上；在2時刻，IGBT再次開通，電流由FRD換流到IGBT上，經過23，IGBT電流繼續上升，到達3時刻，IGBT再次關斷，雙脈沖實驗結束。IGBT的動態特性需要關注圖2中1時刻IGBT的關斷過程及2時刻IGBT的開通過程。

圖2 雙脈沖實驗波形示意圖

1.2 實驗平臺設計要求

壓接型IGBT子模組結構如圖3所示，包含集電極與發射極極板、鉬片、IGBT芯片、銀片和PEEK框架等部件。相比于焊接IGBT模塊，壓接型IGBT芯片與外部電路的電氣連接是通過壓力接觸實現的。

圖3 壓接型IGBT子模組結構

為了全面獲得電-熱-力影響下壓接型IGBT芯片的動態特性，實驗平臺需要具有靈活調節電壓、溫度及機械壓力的能力，壓接型IGBT芯片實驗框圖如圖4所示。

圖4中，不同電壓等級可以通過調整高壓直流電源進行設置，不同機械壓力可以通過調節壓力夾具獲得，不同溫度可以通過加熱模塊設置。為實現電-熱-力綜合影響下芯片動態特性的準確測試，需要考慮以下三方面的問題：

圖4 壓接型IGBT芯片實驗框圖

1）連接母排寄生電感

通過上述分析，寄生電感過大會引起壓接型IGBT芯片承受較大的電氣應力，嚴重影響IGBT芯片的安全工作區[16]。因此，需要減小回路的寄生電感，其中，dc和FRD分別為母線電容和續流二極管內部的寄生電感，在產品生產之初就已確定，較難改變。為此，可以通過減小連接母排的寄生電感來減小實驗過程中壓接型IGBT芯片所受的電壓過沖。

2）芯片表面壓力分布

壓接型IGBT芯片內部有大量的元胞并聯而成，如果芯片受力不均衡會導致芯片內部元胞的電氣特性及芯片與鉬片的接觸特性不同，從而降低整個IGBT芯片的性能[19-20]。因邊緣應力集中失效的IGBT芯片如圖5所示，由于壓接型IGBT芯片表面受力不均，導致邊緣應力集中，造成芯片邊緣燒穿而整個芯片失效。為此，實驗平臺需要保證壓接型IGBT芯片表面的受力均勻，以減小邊緣應力集中進而對壓接型IGBT芯片的損傷。

3）機械夾具溫度分布

在壓接型IGBT芯片動態特性實驗中，通常情況下IGBT芯片的結溫與加熱板溫度存在一定的溫度梯度，使得IGBT芯片結溫存在偏差。為此，實驗平臺需保證機械夾具各組件的溫度分布合理，以盡量減小壓接型IGBT芯片的結溫誤差。

圖5 因邊緣應力集中失效的IGBT芯片

2 實驗平臺設計方案

2.1 連接母排設計

為了減小功率回路的寄生電感，通常采用母排的連接形式，連接母排示意圖如圖6所示。

圖6 連接母排示意圖

為了得到低寄生電感連接母排較好的設計方案，本文通過有限元計算軟件對不同連接母排結構的寄生電感進行提取。仿真中為了得到更加準確的寄生電感值，建立了整個電流回路的三維有限元計算模型。需要說明的是，由于僅對比不同連接母排下寄生電感的大小且續流二極管內部的寄生電感恒定，為了簡化計算，續流二極管使用短導線段進行代替；激勵源施加在圖6所示的母線電容的正負端子上，其頻率計算式為

式中，為等效頻率；r為電流上升時間。因壓接型IGBT芯片的瞬態電流上升時間r為200～400ns，可得設定激勵源的頻率約為1MHz。

1）不同母排結構寄生電感對比

降低連接母排寄生電感的設計原則為使不同導體電流產生的磁鏈相互抵消，為此需要使電流異向的兩個導體距離盡可能的近，圖7為本文給出的三種母排結構，圖中，母排結構1為非疊層母排，電流的流通路徑較大，母排結構2和母排結構3同為疊層母排，區別在于母線電容處電流的走向不同，母排結構2中電流方向與母線電容端子垂直，母排結構3中電流方向與母線電容端子同方向。

圖7 不同連接母排結構

為了比較不同母排結構的寄生電感，通過有限元軟件提取了三種母排結構的寄生電感見表1。

表1 三種母排結構的寄生電感

Tab.1 Parasitic inductance of three busbar structures

由表1結果可以看出，母排結構2與母排結構3相對于母排結構1，寄生電感顯著減小，原因在于疊層結構可以相互抵消很大一部分磁鏈，其中母排結構3的寄生電感值僅為母排結構1的53.2%；母排結構3相比于母排結構2寄生電感略微減小，降低了4.1%，原因在于母排結構2中，圖7b上、下兩層母排的電流在母線電容處分別流向兩個電容端子，弱化了磁鏈的抵消作用。因此本文采用母排結構3作為連接形式。

2）不同母排尺寸對比

除了母排結構，本文對不同母排尺寸也進行了有限元參數提取，對比不同尺寸下疊層母排的寄生電感。不同疊層母排尺寸如圖8所示，設置疊層母排在不同長度、不同間距及不同寬度，不同母排尺寸寄生電感見表2。

圖8 不同疊層母排尺寸

表2 不同母排尺寸寄生電感

Tab.2 Parasitic inductance of different busbar sizes

由表2可以看出，寄生電感隨著疊層母排長度的減小而減小，且呈線性變化，為此應盡量減小母排的長度；寄生電感隨著疊層母排間距的減小而減小，但同時疊層母排需要滿足4.5kV以上的絕緣能力，為此母排之間要有一定的安全裕度；寄生電感隨著疊層母排寬度的增大而減小，但減幅越來越小；因此，綜合考慮保證足夠放置電壓測量探頭、電流測量探頭空間及絕緣要求下，本平臺選擇疊層區 長×寬×厚為143mm×50mm×3mm作為設計尺寸。

2.2 壓力夾具設計

通過1.2節的分析，在壓接型IGBT芯片動態特性實驗中要嚴格保證IGBT芯片表面的受力均衡。但由于壓力夾具各組件的加工精度不能保證任意兩個平面的平行度，以及壓力夾具在人為裝配過程存在偏心問題，很難保證壓接型IGBT芯片表面的受力均衡。為此，本文提出了如圖9所示的壓力均衡裝置，即雙面球碗結構。

雙面球碗結構由帶有球型凹槽的兩個極板與鋼珠組成，提供了水平方向的自由度，當機械壓力偏心時，雙面球碗結構會通過球型凹槽與鋼珠之間的滑動來改變機械應力的方向，使得作用在芯片表面的機械應力垂直于芯片表面，改善壓接型IGBT芯片表面的應力分布。為此，在三維有限元仿真軟件中建立了壓接型IGBT芯片的受力分析模型，其中對不影響IGBT芯片表面受力分布的結構進行了簡化處理，例如，去除了壓接型IGBT子模組的PEEK框架、柵極頂針等結構。為了模擬外部組件不平整對壓接型IGBT芯片表面受力的影響，分別對未采用雙面球碗結構和采用雙面球碗結構時壓力分布特性進行了仿真計算，從而觀察壓接型IGBT芯片表面的受力情況，芯片表面壓力分布計算結果如圖10所示。

圖9 壓力均衡裝置

從圖10a、圖10b可以看出，在未采用本文所提雙面球碗結構時，IGBT芯片表面的左上角出現了明顯的邊緣應力集中，壓強最大點達到了18.3MPa，為壓強平均值10MPa的1.83倍，此應力集中點即為IGBT芯片的易損點；當采用雙面球碗結構后，觀察圖10c中的雙面球碗結構的上極板，雖然外部壓力不均勻，但經過雙面球碗結構的找平后，可以使圖10d中芯片表面的受力較為均衡，壓強最大點僅為12.5MPa，為壓強平均值10MPa的1.25倍。因此，本文所設計的雙面球碗結構可以明顯改善壓接型IGBT芯片表面的應力分布。

圖10 芯片表面壓力分布計算結果

2.3 加熱模塊設計

為了保證壓接型IGBT芯片結溫更加準確，應盡可能使壓接型IGBT芯片的結溫等于加熱板的溫度。為此本文設計了可靈活調節溫度的加熱模塊，加熱模塊包含加熱板、熱電偶和PID控制中心三部分，通過熱電偶的反饋作用與PID控制中心調控加熱板的輸出功率，從而保證加熱板溫度的準確性和穩定性。此外，考慮到實驗平臺加熱區域會通過熱傳導與熱輻射的方式與環境進行熱量交換，從而產生溫度梯度。為了得到較為合理的溫度分布，減小壓接型IGBT芯片結溫的誤差，采用環氧樹脂板來控制熱量流動。在三維有限元仿真軟件中建立機械夾具的熱力學模型，計算環氧樹脂板在不同位置時整個機械夾具的溫度分布，壓力夾具各組件溫度分布計算結果如圖11所示。

從圖11a、圖11b可以看出，當環氧樹脂板位于IGBT的兩側時，由于環氧樹脂板熱阻較大，產生了較大的溫度梯度，導致IGBT溫度為43.5℃，未能達到設定溫度75℃。由圖11c、圖11d可以看出，當環氧樹脂位于加熱板與IGBT的兩側時，加熱板與IGBT直接接觸，同時環氧樹脂板隔絕了大多數熱量流動，保證了穩態情況下IGBT達到了設定溫度75℃。另外需要說明的是IGBT的下極板為接地點，加熱板不會受到高電壓損壞的風險。

圖11 壓力夾具各組件溫度分布計算結果

3 平臺研制及芯片特性實驗結果

3.1 實驗平臺研制

根據上述理論分析和計算，本文建立的雙脈沖實驗平臺主體結構如圖12所示。圖12中，左側從上到下依次為：壓力夾具及施壓裝置共同作用提供壓接型IGBT芯片所需的機械壓力，壓力傳感器讀取施加在IGBT芯片上的機械壓力，壓力均衡裝置保證IGBT芯片表面受力均衡，環氧樹脂板同時提供隔熱和絕緣的作用，加熱板提供實驗所需溫度，碟簧為壓力夾具施加機械壓力提供壓力緩沖；右側疊層母排提供實驗回路的電氣連接，母線電容型號為TDK4400K160D136，最高電壓4.4kV，電容值為160μF，負載電感值為1mH。

圖12 實驗平臺主體結構

結合實驗平臺的測量部分及其輔助部分，雙脈沖實驗平臺實物如圖13所示。

圖13 雙脈沖實驗平臺實物

圖13中，測量部分包含：用來測量CE的電壓探頭型號為PPE4kV；用來測量GE的電壓探頭型號為PP018；用來測量電流的羅氏線圈型號為CWT- Ultra mini06，示波器型號為HDO4104A。輔助部分包含有：雙脈沖觸發器結合驅動板提供IGBT所需的驅動波形；高壓直流電源型號為HPPS1217，可通過計算機遠程調控為母線電容充電，電壓范圍為0～5kV；加熱板控制臺可以靈活調節并實時監測加熱板溫度，加熱溫度范圍為25～250℃，調節精度為1℃；壓力顯示器可以實時顯示機械壓力的大小，壓力范圍為0～5kN，精度為0.01kN。

3.2 芯片動態特性實驗結果

采用國產某型號3.3kV/50A的壓接型IGBT芯片進行實驗。為了驗證本實驗平臺的相關功能完善性和可靠性，分別對電壓過沖、壓力分布、溫度分布進行了實驗測量，并且得到了電-熱-力影響因素下壓接型IGBT芯片的動態特性。

3.2.1 電壓影響因素

為了驗證本文采用疊層母排的效果，在母線電壓2kV、負載電流50A下進行實驗，關斷過程如圖14所示。

觀察得到電壓過沖D=47V，相比于母線電壓2kV，IGBT芯片電壓過沖百分比為2.35%，可以滿足雙脈沖實驗的要求。根據雙脈沖實驗波形提取寄生電感方法[21]，計算得到回路寄生電感為142.42nH，查數據手冊得母線電容的寄生電感為60nH[22]，續流二極管單橋臂的寄生電感為20nH[23]，其中實驗中續流二極管由兩個橋臂串聯連接，計算得母排寄生電感為42.42nH，與仿真結果45.60nH較為吻合。

圖14 雙脈沖實驗電壓過沖

同時在不同母線電壓下分別進行了實驗，機械壓力為1kN，溫度為25℃，不同母線電壓下動態特性如圖15所示。

圖15 不同母線電壓下動態特性

從圖15可以看出，隨著母線電壓的升高，關斷延時增大，二極管反向恢復電流引起的電流過沖增大。但在不同母線電壓下，電流變化率幾乎不變，電壓過沖都能維持在較低的水平，均可以滿足壓接型IGBT芯片動態特性測試的需求。

3.2.2 壓力影響因素

為了驗證本文所提雙面球碗結構的實際效果，通過Fuji壓力紙測量壓接型IGBT芯片表面的壓力分布，可以通過壓力紙顏色的深淺來定性表征壓力分布的大小。設置兩組實驗分別為采用雙面球碗結構和未采用雙面球碗結構，同樣施加1kN額定機械壓力，壓力值通過施壓夾具中串聯的壓力傳感器讀取。為了更為直觀地得到芯片表面壓力分布，需要對Fuji壓力紙進行灰度處理，其中以未采用雙面球碗結構為例進行說明，灰度處理過程如圖16所示，兩種情況下的芯片表面壓力分布結果如圖17所示。

圖16 壓力紙灰度處理過程

由圖17可以看出，當壓力夾具中未加雙面球碗結構時，壓強最大值為14.67MPa，超出壓強平均值10MPa的46.7%，其中36%的面積壓強超過13MPa；當壓力夾具中加入雙面球碗結構后，壓強最大值為10.26MPa，僅超出平均值2.6%，可以看出，雙面球碗結構可以明顯改善壓接型IGBT芯片表面的壓力分布，有效地避免了壓接型IGBT芯片的邊緣應力集中。

為了得到不同機械壓力下壓接型IGBT芯片的動態特性，分別設置機械壓力為1kN、2kN及3kN，母線電壓為2kV，負載電流為50A，溫度為25℃，不同機械壓力下動態特性如圖18所示。

從圖18可以看出，機械壓力對IGBT芯片的開通和關斷過程影響都很微弱。相比而言，機械壓力對關斷過程的影響大于對開通過程的影響，機械壓力越大，電流關斷時間越長。

3.2.3 溫度影響因素

為了驗證各組件溫度分布的合理性，參考圖11的三維有限元計算結果，設置環氧樹脂板與仿真條件相同的兩組實驗，兩組實驗加熱板溫度同為75℃，通過FLIR E8紅外熱成像儀觀察各組件的溫度分布，機械夾具各組件溫度分布實驗結果如圖19所示。

圖19 機械夾具各組件溫度分布實驗結果

由圖19可得，加熱板設定溫度為75℃，圖19a中IGBT的溫度為55.8℃，誤差為25.60%，圖19b中IGBT的溫度為74.8℃，誤差為0.27%。通過調整環氧樹脂板的位置可以提高IGBT加熱溫度的精度。另外，需要說明的，是本實驗平臺相較于傳統恒溫箱加熱的方式，更加靈活，同時克服了在恒溫箱中進行實驗，部分組件不耐高溫的缺點。

為了得到不同溫度下壓接型IGBT芯片的動態特性，分別設置溫度為25℃、75℃和125℃，母線電壓為2kV，機械壓力為1kN，負載電流為50A，不同溫度下動態特性如圖20所示。

從圖20可以看出，溫度主要影響關斷過程，對開通過程影響不明顯，且隨著溫度的升高，關斷延時增大，電壓過沖略微減小，開通過程電流過沖略微減小，電壓拖尾時間增長。

以上實驗結果驗證了本實驗平臺具有寄生電感小、芯片表面壓力分布均衡、實驗夾具溫度分布合理的特點，且具備多影響因素下電-熱-力靈活可調的能力，滿足了壓接型IGBT芯片在不同條件下的實驗需求。

4 結論

本文針對電-熱-力綜合作用下壓接型IGBT芯片動態特性測試需求，對實驗平臺的關鍵問題進行了仿真計算和實驗驗證。所研制平臺具有回路寄生電感小、芯片表面受力均衡及機械夾具溫度分布合理的特點，可以滿足不同電壓、機械壓力及溫度下壓接型IGBT芯片動態特性測試的需求，為壓接型IGBT芯片動態特性測試提供了實驗基礎?；诜抡娣治龊蛯嶒灲Y果，可以得到以下結論：

1）通過疊層母排結構及合理的母排尺寸設計，減小了實驗回路的寄生電感，實驗測得本文母排的寄生電感僅為42.42nH，滿足雙脈沖測試的需求。

2）采用雙面球碗結構有效地改善了壓接型IGBT芯片表面受力不均的問題，實驗結果表明，雙面球碗結構使芯片表面受力不均衡度由46.7%降低到2.6%，在1～3倍額定機械壓力下均能保證壓接型IGBT芯片的安全測試。

3）采用環氧樹脂板改善了壓力夾具各組件溫度分布，實驗結果表明，合理的環氧樹脂板位置使IGBT芯片結溫誤差由25.60%降低到0.27%，有效地減小了壓接型IGBT芯片結溫誤差對動態特性測試的影響。

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Design and Implementation of an Experimental Platform for Dynamic Characteristics of Press-Pack IGBT Chip

（State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources North China Electric Power University Beijing 102206 China）

The press-pack IGBT chip is subjected to the comprehensive action of electro- thermo-mechanical under normal operating conditions. The study of the dynamic characteristics of IGBT chip under the influence of electro-thermo-mechanical is of great significance for guiding the modeling of IGBT chips and the design of large-scale IGBT parallel packaging. In order to obtain the dynamic characteristics of the press-pack IGBT chip under the comprehensive influence of electro- thermo-mechanical, in this paper, an experimental platform with a flexible electro-thermo-mechanical adjustment for the dynamic characteristics of the press-pack IGBT chip is developed, combined with the principle of the double pulse test circuit. Through the finite element simulation of the key problems of the dynamic characteristic experimental platform, the optimal design of parasitic inductance, IGBT chip surface pressure distribution and mechanical fixture temperature distribution is realized. On this basis, an experimental platform for dynamic characteristics of press-pack IGBT chip is established. Through comprehensive testing of the dynamic characteristic experimental platform, it is shown that the experimental platform has the characteristics of small parasitic inductance, balanced pressure distribution on the IGBT chip surface, and reasonable temperature distribution of each component of the mechanical fixture, which can meet the requirements of the dynamic characteristic test of the press-pack IGBT chip under comprehensive electro-thermo-mechanical influence.

Press-pack IGBT chip, dynamic characteristics, parasitic inductance, temperature, mechanical pressure

TN307

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.201445

國家自然科學基金-國家電網公司聯合基金重點項目（U1766219）和國家電網有限公司科技項目（520201190095）資助。

2020-11-01

2020-12-17

彭 程 男，1993年生，博士研究生，研究方向高壓大功率半導體器件測試與封裝技術。E-mail: pengcheng@ncepu.cn

李學寶 男，1988年生，博士，副教授，研究方向為先進輸電技術、電力系統電磁環境與電磁兼容、高壓大功率半導體器件封裝技術。E-mail: lxb08357x@ncepu.edu.cn（通信作者）

（編輯 陳 誠）