GE-Fanuc IC697BEM731 工業(yè)控制系統(tǒng)

散熱路徑的熱阻越低越好，除了DBC采用熱導率更高的高導熱陶瓷材料之外，IGBT模塊制造商在焊接工藝上下了不少功夫。 目前最成熟的焊接工藝采用的焊料是錫，為了滿足高性能場合的應(yīng)用，部分產(chǎn)品芯片與DBC的焊接部分采用銀燒結(jié)技術(shù)，增強散熱路徑的導熱性和可靠性。 對于單管方案，單管與散熱底板的燒結(jié)逐漸成為趨勢。

典型案例：

單管功率模組的散熱原理與模塊類似。 Model 3的SiC單管與散熱器的焊接采用銀燒結(jié)的方式，與Model X相比，顯著提高了功率模塊散熱路徑的散熱效率和可靠性。

老化失效

一般采用加速老化試驗對IGBT模塊的可靠性進行驗證，功率循環(huán)（PC）試驗最為常用。 功率循環(huán)過程中，芯片結(jié)溫波動時，由于材料膨脹系數(shù)(coefficient of thermal expansion，CTE)不同產(chǎn)生熱應(yīng)力，模塊長期工作在熱循環(huán)沖擊下導致材料疲勞和老化，最終導致模塊失效如鋁引線脫落、焊接層斷裂分層。

1鍵合線失效

一般通過PCsec（秒級功率循環(huán)）試驗來驗證鍵合性能，循環(huán)次數(shù)越多越好，鍵合引線的疲勞老化通過飽和導通壓降Vcesat來評估，循環(huán)過程中，Vcesat會有輕微上升趨勢。 焊料層和鍵合引線及鍵合處受到功率循環(huán)產(chǎn)生的熱應(yīng)力的反復沖擊，導致焊料層因材料疲勞出現(xiàn)裂紋，裂紋生長甚至出現(xiàn)分層(空洞或氣泡)，導致鍵合引線的剝離、翹曲或熔斷。 功率模塊中各芯片均通過多根引線并聯(lián)引出。而實際運行中，一根引線的脫落會導致電流重新均流，加速其它引線相繼脫落。

2焊接層疲勞

一般通過PCmin（分鐘級功率循環(huán)）試驗來驗證焊接層性能，焊料層疲勞老化程度與結(jié)-殼熱阻Rthjc正相關(guān)。 功率模塊由異質(zhì)材料構(gòu)成多層結(jié)構(gòu)，在熱循環(huán)過程中不同熱膨脹系數(shù)的材料會產(chǎn)生交變應(yīng)力，使材料彎曲變形并發(fā)生蠕變疲勞，從而導致硅芯片與基板之間以及基板與底板之間的焊接層中產(chǎn)生裂紋并逐漸擴散，最終導致失效或分層。

對于應(yīng)用工程師來講，上邊的內(nèi)容重點關(guān)注封裝及老化失效部分，怎么樣根據(jù)系統(tǒng)的需求選擇合適的IGBT模塊，怎么樣通過科學的散熱設(shè)計把系統(tǒng)效率和功率密度做的更高。 在做功率模塊設(shè)計的時候，應(yīng)用工程師還是不要太受制于自己的經(jīng)驗，要以物理第一性的原則去做理論上的最優(yōu)設(shè)計，以目標為導向去克服路徑上的困難，這樣才能不跟在別人屁股后邊走。 廢話不多說，繼續(xù)學習。 參考： 老化試驗條件下的IGBT失效機理分析 ——賴偉 計及疲勞累積效應(yīng)的IGBT模塊焊料層失效機理及疲勞損傷研究

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