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快乐飞艇帜号几位数 压接型IGBT器件内部压力分布

作者:海飞乐技术 时间:2019-02-22 18:19

  压接型IGBT器件相比传统焊接式IGBT模块具有功率密度大、双面散热、易于串联以及可靠性高等优点,现己逐步应用于电力系统的高压直流输电和电力机车等高电压大功率应用场合。压接型IGBT器件需要通过外部压力使内部各个组件保持电气与机械连接,为了降低压接型IGBT器件内部各个组件的接触电阻与接触热阻,需要施加约1.2kN/cm2的外部压力[2]。器件内部各个组件间的接触电阻和接触热阻与压力有关,所以压接型IGBT器件内部各个芯片表面压力分布均匀性会在很大程度上影响器件内部电流和温度的分布,进而影响器件的可靠性。
  本文重点研究由于器件内部各个组件的加工误差而引起的压力分布不均匀以及器件内部芯片的布局方式对压力分布的影响,并通过实验样品、压力纸以及压力夹具进行了实验验证。
 
  1. 有限元模型
  1.1模型介绍
  本文采用的是电力系统中额定电压3300V,额定电流600A的压接型IGBT器件作为研究对象来分析器件内部多芯片表面压力分布特性,器件内部结构以及各组件如图1所示,主要由集电极(铜)、集电极侧钼片、硅芯片、发射极侧钼片、垫片(银)和发射极(铜)依次堆叠组成。其他的组件如:塑料框架、陶瓷管壳、印制电路板(PCB)、弹簧探针和起密封作用的密封环板对器件内部芯片表面压力分布基本没有影响。为了节省计算时间,在保证计算准确度的前提下对模型进行了简化,得到简化后有限元计算模型以及器件内部芯片编号如图2所示,器件包含11个IGBT子模组和5个FRD子模组。

压接型IGBT器件截面示意图 
图1 压接型IGBT器件截面示意图
简化后的压接型IGBT器件有限元计算模型 
图2 简化后的压接型IGBT器件有限元计算模型
 
  1.2应用工况及边界条件
  压接型IGBT器件易于串联应用的优点使其通常与散热器、直流母排、压力分布机、压力施加装置、碟簧和驱动电路等作为一个整体,压接型IGBT器件应用示意图如图3所示。所以实际应用中压接型IGBT器件的压力是由压力分布机通过器件两端的散热器施加的,而且在器件两端还应该添加碟簧来补偿加压过程中的位移以及由于芯片热膨胀带来的位移。
压接型IGBT器件应用示意图 
图3 压接型IGBT器件应用示意图
  根据压接型IGBT器件的实际应用工况,本文建立的有限元仿真模型的边界条件设定如下。仿真过程中将压接型IGBT器件发射极侧的散热器固定,通过碟簧给集电极侧的散热器施加一个位移载荷,使其等效的额定压力为18.2kN。虽然压接型IGBT器件在实际运行过程中会由于芯片温度的升高而引起一定的热膨胀,但这种位移量相比碟簧的位移可以忽略不计。由于外部压力是通过碟簧施加的,在压力的施加过程中,碟簧发生的形变量(一般为mm级)比起热膨胀引起的形变量(一般为µm级)大得多,所以近似认为器件内部的压力分布主要还是由内部组件加工误差和布局方式决定,暂不考虑温度对压力分布均匀性的影响。压接型IGBT器件内部各组件间直接接触,器件外部与散热器直接接触,所以在仿真过程中应该考虑接触问题。器件与散热器间的接触设定为绑定接触,器件内部各组件间的接触设定为摩擦接触,由于摩擦系数对压力分布性影响很。??阅Σ料凳?瓒ㄎ?.5,有限元模型边界条件如图4所示。
有限元模型边界条件 
图4 有限元模型边界条件
 
  2. 加工误差对压力分布的影响
  2.1无加工误差时压力分布情况
  首先分析理想情况,假设压接型IGBT器件内部各个组件均没有加工误差,或者在装配过程中各个组件的加工误差相互抵消,最终保证各子模组间没有高度差。根据实际应用工况仿真得到的器件内部芯片表面压力分布如图5所示,平均压力值见表1。
表1 器件内部各芯片表面平均压力值
器件内部各芯片表面平均压力值 
IGBT芯片发射极侧压力分布 
图5 IGBT芯片发射极侧压力分布
  由图5的数据可知,器件内部各芯片间表面的压力分布总体比较均匀,但中心区域的芯片压力相对比较小。这是由于集电极铜在受力过程中发生了一定的翘曲导致的,图6为压接型IGBT器件总形变量的截面示意图,其中形变因子为500。对于单个芯片子模组的压力分布来说,在芯片和钼片接触的边缘处会出现压力集中,同样也存在一定的应力集中。尽管集中于边缘处的应力峰值远低于硅芯片的最大应力强度,但在长期的功率循环过程中,由于温度的反复波动与相对摩擦,边缘处可能会产生裂纹或失效,应该重点关注。
压接型IGBT器件截面图 
图6 压接型IGBT器件截面图
  表1为压接型IGBT器件内部各芯片表面的平均压力值以及相对误差,同样可以看到器件内部的压力分布规律。其中处于器件中心位置的四个IGBT芯片(6号、7号、9号和10号)的压力相对比较。?畲笪蟛钤嘉?10.99%,而边缘处的芯片压力则相对比较大,最大误差约为4.46%。表1中IGBT芯片与FRD芯片的基准压力值有一定的差别,原因在于IGBT芯片受力面积和FRD芯片的受力面积不一样。为了更进一步地了解芯片表面的压力分布和应力分布情况,本文提取路径以及提取了特定路径的压力和应力分别如图7和图8所示。
各芯片表面提取路径 
图7 各芯片表面提取路径
  由图8的压力和应力分布曲线可知,单个芯片表面中心位置平均压力主要集中在5MPa左右,但是在芯片与钼片接触的边缘处出现压力集中,压力峰值能达到12MPa,所以边沿处需要特别关注。提取路径2和提取路径3中间的两个芯片表面压力比较。?直鸲杂?号、7号、9号和10号芯片。同样,通过4个提取路径各芯片表面的应力分布也可以看到相同的规律,边缘处的最大应力达到了17MPa。
提取路径压力和应力分布 
图8 提取路径压力和应力分布
 
  2.2 FRD5子模组比其他子模组低1µm时压力分布情况
  压接型IGBT器件通过外部施加一定的压力将内部各个组件组合在一起,以保证组件间良好的电气和机械连接。器件内部各个组件在加工过程中会存在一定的加工误差,芯片表面电极的覆层金属同样也会存在一定的误差。这些误差在组件子模组装配过程中又会出现一定的累积效应,从而影响器件内部的压力分布。本文通过有限元模型仿真分析了加工误差对器件内部各芯片表面压力分布的影响。首先考虑FRD5子模组比其他子模组低1µm条件下,器件内部各芯片表面压力分布情况如图9所示,其平均压力值见表2。
表2 器件内部各芯片表面平均压力值
器件内部各芯片表面平均压力值 
 IGBT芯片发射极侧压力分布 
图9 IGBT芯片发射极侧压力分布
 
  由表2数据可知,器件内部其他芯片的均匀性相对比较好,但FRD5子模组芯片表面的压力值偏。?挥?82.12N,误差达到了-29.19%。FRD5子模组比其他子模组低1µm,使得其邻近的子模组承受的压力有所增加,FRD2子模组的压力误差从3.26%增加到14.63%,FRD4子模组的压力误差从2.7%增加到14.08%。压接型IGBT器件内部各个组件是直接接触的,所以接触面会存在一定的接触电阻和接触热阻,接触电阻与接触热阻和接触面所承受的压力有非常大的关系(接触电阻与接触热阻一般随着所受压力的增大而减。。某个子模组压力的减小不仅会导致其他子模组压力的增加,提高了其他芯片受压力损坏的可能性,而且还增加了各接触界面间的接触电阻和接触热阻,进而影响了器件内部各芯片的电流和温度分布均匀性。
 
  2.3 FRD5子模组不同高度差的影响规律
  为了得到FRD5子模组不同高度差对器件内部各个芯片表面压力的影响规律,仿真分析了FRD5子模组与其他子模组不同高度差在0~-3µm条件下的压力分布。通过对不同高度差压力分布性的研究,可以根据实际压力允许范围指定子模组允许的高度差,为实际的组件加工和装配提供一定的技术指导。不同高度差条件下路径4表面的应力和FRD5子模组的平均压力值分别如图10和图11所示。
路径4的应力分布 
图10 路径4的应力分布
FRD5子模组不同高度差下的平均压力值 
图11 FRD5子模组不同高度差下的平均压力值
  由图10中路径4的应力分布可知,随着子模组高度差的增加,芯片表面的应力逐渐减。??诮?幽W榈挠αχ鸾ピ黾,尤其是边缘处的最大应力,如图10中虚线圆圈所示。当FRD5子模组的高度差达到-3µm(标准高度为8mm)时,FRD5子模组芯片表面的压力和应力均非常。?嵩斐勺幽W楦髯榧?浣哟ゲ涣。而邻近子模组的最大应力也从14MPa增加到了27MPa,增加了约两倍,极大地提高了芯片受压力损坏的可能性。图11展示了FRD5子模组不同高度差对应的压力值,当子模组高度差达到-3µm时,压力从约1200N减小至不到100N,该子模组中各组件间的接触热阻和接触电阻将大大增加,严重影响了器件的可靠性。
 
  3. 布局方式对压力分布均匀性的影响
  根据上述仿真结果可知,理想情况下压接型IGBT器件内部也会由于电极的翘曲造成压力分布不均匀,通过改变内部布局可以一定程度上减小电极的翘曲程度,从而改善器件内部的压力分布。这里研究三种布局方式对器件内部压力分布的影响,方案1为外圆内方,方案2为外方内方,方案3为外圆内圆,如图12所示。
三种不同布局方式 
图12 三种不同布局方式
  通过对三种布局方案进行有限元仿真分析可以分别得到器件内部的压力分布情况,这里只考虑理想情况,即器件内部各子模组高度完全一致的情况。器件内部各芯片表面对应的压力和相对误差见表3。
表3 器件内部各芯片表面平均压力值
器件内部各芯片表面平均压力值 
  通过表3的数据可以看到,从IGBT芯片与FRD芯片间的压力误差来看,方案2的压力误差最。琁GBT芯片与FRD芯片间的最大误差为2.65%-(-1.65%)=4.3%,而方案1和方案3分别为14.98%和15.75%。从各IGBT芯片或FRD芯片间的压力误差来看,方案3的误差最小。IGBT芯片和FRD芯片对应的最大误差分别为0.13%和0.11%,说明方案3中IGBT芯片或FRD芯片间的一致性非:,这是因为所有的IGBT芯片或FRD芯片都在一个圆周上,受到电极形变的影响也一致。方案2中IGBT芯片和FRD芯片间的误差也相对比较。?直鹞?.9%和0.39%。综合来看,方案2中不管是IGBT芯片或FRD芯片间的压力分布均匀性,还是IGBT芯片和FRD芯片的压力分布均匀性都比较好。虽然方案1中各IGBT芯片和FRD芯片间的一致性非:,但IGBT芯片和FRD芯片的均匀性相对较差。
 
  4. 实验
  通过压力夹具、FUJI压力纸和实验样品对压接型IGBT器件内部压力分布进行实验,以验证压接型IGBT器件有限元模型和边界条件的正确性。基于压力纸呈现颜色的深浅可以判断器件内部的压力分布情况,进而与仿真结果进行对比分析,压力夹具如图13所示,包括上、下两个桥臂的压接型IGBT器件和用于吸收加压过程中位移变化的碟簧等。压力纸采用的是FUJI公司生产的Prescale压力测量胶片,可测量的压力范围为0.5~50MPa,根据被测器件的受力面积和外部压力可知,采用压力范围为0.5~10MPa的压力纸可以满足测量要求。
压力夹具 
图13 压力夹具
 
  实际操作中很难严格保证每个子模组的高度差完全一致,更难保证某个子模组的高度差为-1µm或其他指定的高度差,这里只是通过一种理想的实验条件去验证有限元模型和边界条件的正确性。本文以器件内部呈现方形,外部呈现圆形的额定电压3300V、额定电流600A的压接型IGBT器件为对象进行实验。通过高精度高度测试仪严格筛选压接型IGBT器件内部各组件以及对各个子模组的总高度进行匹配,严格保证各子模组高度的一致性,得到的实验结果如图14所示。
实验结果 
图14 实验结果
 
  图14中,上2表示上桥臂压接型IGBT器件内部压力分布,下2表示下桥臂压接型IGBT器件内部压力分布。根据图14中的结果可知,上、下桥臂的压接型IGBT器件内部压力分布都不均匀,均呈现器件内部压力。?咴荡ρ沽??械墓媛,尤其是上桥臂。下桥臂压接型IGBT器件内部压力分布明显好于上桥臂,这是由于外部压力是通过压力机和压力传感器分别传递到上桥臂和下桥臂压接型IGBT器件表面的。下桥臂压接型IGBT器件则有上桥臂压接型IGBT器件的进一步过渡,相当于实际应用中散热器在压力方面的作用,使得压力传递到下桥臂压接型IGBT器件表面更加均匀。下桥臂压接型IGBT器件内部压力分布与仿真结果非常相近,一方面证明有限元计算模型和边界条件设置的正确性;另一方面也说明压接型IGBT器件实际应用过程中应该特别注意散热器或者压力垫块的设置,以保证器件内部压力分布均匀性。
 
  5. 结论
  本文基于压接型IGBT器件的有限元模型和特殊的应用工况研究了器件内部压力分布,重点考虑了各组件加工误差和内部布局对压力分布的影响。为了验证有限元模型和边界条件的正确性,通过压力夹具、压力纸、实验样品等对被测器件内部压力分布均匀性进行了实验,得到了很好的验证。基于上述有限元和实验结果,可初步得到以下结论:
  1)理想情况下,压接型IGBT器件内部压力相对比较均匀,但仍然呈现出集中于边缘的规律。这是由于压接型IGBT器件电极表面在承受外部压力时发生了一定的翘曲,翘曲的程度取决于外部的加载方式,进而也决定了器件内部压力分布的不均匀程度。
  2)压接型IGBT器件内部各组件的加工误差对器件内部压力分布有很大的影响,由于加工误差或累积误差使得某个子模组比其他子模组低3µm,该子模组所在的芯片表面压力非常。?踔良负趺挥醒沽,严重影响了器件的可靠性。加工误差或子模组装配时的累积误差是压接型IGBT器件制备过程中不可避免的,为了最大限度地优化器件内部的压力分布和提高器件的可靠性,严格控制各组件的加工精度和各子模组的装配工艺是关键。
  3)压接型IGBT器件内部压力分布还取决于外部压力的加载方式、内部布局等因素,通过器件内部合理布局等可以进一步提高器件内部的压力分布均匀性,如方案2。
  本文主要考虑了各组件加工误差和布局方式对器件内部压力分布均匀性的影响,是后续研究工作的基础。基于本文建立的有限元模型和边界条件,可以进一步研究由于IGBT芯片工作时发热产生的热应力对器件内部压力分布的影响。




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