前言
绝缘栅双极型晶体管(IGBT)作为电能变换装置的核心部件,在航空航天、电磁发射、海上运输、轨道交通、新能源发电等军事、经济领域得到广泛应用,具有不可替代的地位和作用。因此,提高电能变换装置可靠性与IGBT器件疲劳失效之间的矛盾日益凸显,已成为当前研究的首要任务。IGBT疲劳失效按照其失效部位分为芯片疲劳失效和封装疲劳失效。当前,针对IGBT芯片疲劳失效的健康状态监测与可靠性评估研究基本处于空白,而针对封装疲劳失效的健康状态监测与可靠性评估研究国内外已具备一定基础,在封装疲劳失效与外部特征量关系方面做了一些探索,但未形成确定结论,未能清楚分析IGBT疲劳失效的机理,未能建立准确有效的健康状态监测方法。本书通过详细分析IGBT芯片与封装疲劳失效机理,在研究失效特征量随疲劳老化时间变化规律的基础上,通过将理论分析与解析描述相结合,建立了IGBT相关电气特征量的健康状态监测方法,对处于不同寿命阶段的IGBT器件健康状态进行有效评估?本书主要研究内容与成果包括:
1)对IGBT器件芯片相关疲劳失效机理和芯片疲劳后IGBT电气特性变异规律进行了深入分析,得出芯片疲劳相关的特征量及其变化机理。
2)对IGBT器件封装相关疲劳失效机理和封装疲劳后IGBT外部表征演变规律进行了深入分析,得出封装疲劳相关的特征量及其变化机理。
3)基于芯片疲劳失效机理,通过将理论分析与解析描述相结合,建立了基于芯片疲劳的阈值电压?集电极漏电流和关断时间的健康状态监测方法,通过该方法可以对IGBT芯片疲劳程度进行有效评估。
4)基于封装疲劳失效机理,通过建模与分析,建立了基于封装疲劳的热阻、集射极饱和压降和结温的健康状态监测方法,通过该方法可以对IGBT封装疲劳程度进行有效评估。
本书的框架制定?章节编排和全书统稿由肖飞教授负责,第7章中的7.1.1节由罗毅飞研究员编写,第5章中的5.4节和5.5.3节由黄永乐老师编写,其余内容由刘宾礼老师编写。
本书可作为从事电力电子技术理论与工程的技术人员的参考书,也可作为电力电子与电力传动专业的本科生?硕士和博士研究生以及从事电力电子器件方面研究的师生与研究人员的参考书。
感谢尊敬的马伟明院士为我们营造了良好的学习环境和学术氛围,使我们能够潜心研究?专注科研;感谢团队和课题组全体成员在本书内容开展研究过程中给予的支持;感谢唐勇、汪波和陈明老师在编写第1章绪论过程中提供的帮助;感谢国家自然科学基金重大项目电力电子器件及其组合混杂系统多时间尺度的动力学表征(编号:51490681)、国家重点基础研究发展计划973项目大功率全控型电力电子器件失效机理及尽限应用(编号:2015CB2510004)和国家自然科学基金青年项目IGBT芯片疲劳失效机理及其健康状态监测方法研究(编号:51507185)对本书的资助。
由于作者水平有限,书中难免存在不妥之处,欢迎广大读者提出宝贵意见与建议。
序
在国家大力发展清洁能源,提倡高效、节能、环保的战略背景下,在国防武器装备跨越式发展的重大需求下,各个行业和领域迫切需要高质量、高效率的电能。电力电子技术是一门依靠电力电子器件实现电能高效存储、变换与控制的学科,是将一次能源变换为人类所需要的电能并实现节能环保的重要手段。它是弱电控制强电、信息技术与制造技术、传统产业自动化与智能化改造以及高科技产业之间不可缺少的重要桥梁,在推动科学技术和经济发展的过程中发挥着不可替代的作用。每一次电力电子技术的重大变革,都离不开其核心部件电力电子器件的发展和更新换代。
电力电子器件经历了不可控器件、半控型器件、全控型器件的发展历程。绝缘栅双极型晶体管(IGBT)作为全控型电力电子器件的典型代表,具有开关速度快、开关损耗小、耐受脉冲电流能力强、通态压降低、驱动功率小等优点,已广泛应用于各种中?大功率电能变换装置。因此,充分发挥IGBT器件的电气特性与全方位剖析其失效机理、提高其应用可靠性以及提升精细设计能力,已成为当前电力电子领域的突出矛盾与紧迫挑战。
本书作者专注于电力电子与电能变换领域基础理论及应用研究、关键技术攻关和重大装备研制,主持和参与了国家973、国家自然科学基金、国防重大装备研制等30余项重大科研项目。
本书针对IGBT器件可靠性中的疲劳失效问题,从现象到机理,从规律到方法,进行了详细论述。作者通过对IGBT器件疲劳失效机理进行深入分析,阐明了IGBT器件疲劳产生的根本原因和产生疲劳之后相关电气特征量及其表征的变化规律,建立了基于特征量的健康状态监测方法,实现了对IGBT器件健康状态与可靠性的有效评估,为电力电子装置实现精确设计与可靠性定量评估奠定了坚实基础,为电力电子装置实现体积轻量化?成本最小化和性能最优化的精细设计等提供了重要技术支撑。
本书逻辑清晰、观点鲜明、结构合理、内容丰富、图表公式准确,具有较好的可读性和较强的参考价值,有助于提升读者对IGBT器件疲劳失效的认识,同时为电力电子器件及装置的健康状态监测和可靠性评估领域的研究,提供了有效的思路和可行的方法。
马伟明
2019年10月于武汉
目 录
序
前 言
第1章 绪论
1.1 IGBT失效机理
1.1.1 IGBT缺陷失效
1.1.2 IGBT随机失效
1.1.3 IGBT疲劳失效
1.2 IGBT健康状态监测方法
1.2.1 基于IGBT结温的健康状态监测方法
1.2.2 基于IGBT导通电阻与热阻的健康状态监测方法
1.2.3 基于IGBT寿命预测的健康状态监测方法
1.3 研究现状小结
1.3.1 IGBT失效机理研究方面
1.3.2 IGBT健康状态监测方法研究方面
1.4 本书的主要内容及章节安排
参考文献
第2章 IGBT器件及其工作机理
2.1 IGBT基本结构
2.2 IGBT制造工艺
2.3 IGBT工作机理
2.4 IGBT发展历程
2.5 本章小结
参考文献
第3章 IGBT失效模式及其失效机理
3.1 IGBT主要应用对象及其工作特点
3.2 IGBT主要失效模式与失效机理
3.2.1 IGBT缺陷失效模式与机理分析
3.2.2 IGBT随机失效模式与机理分析
3.2.3 IGBT疲劳失效模式与机理分析
3.3 疲劳失效实验方法
3.3.1 IGBT电热应力与功率循环疲劳老化
3.3.2 IGBT疲劳老化变异特征检测与分析
3.3.3 IGBT疲劳老化特性综合记录处理
3.4 本章小结
参考文献
第4章 与芯片相关的疲劳失效机理
4.1 界面疲劳失效机理
4.1.1 栅极Al-SiO2界面
4.1.2 栅极Si-SiO2界面
4.1.3 发射极Al-Si界面
4.2 硅材料疲劳失效机理
4.3 本章小结
参考文献
第5章 与封装相关的疲劳失效机理
5.1 Al金属薄膜电迁移效应分析
5.2 电化学腐蚀分析
5.3 Al金属层表面重构分析
5.3.1 表面重构原因
5.3.2 表面重构机理
5.4 芯片与衬底焊料层疲劳失效
5.4.1 焊料层疲劳失效微观观测分析方法
5.4.2 器件内部各层温度场实验测量
5.4.3 焊料层疲劳失效机理
5.5 键丝疲劳与翘起失效
5.5.1 键丝根部断裂疲劳失效机理
5.5.2 键丝焊盘剥离疲劳失效
5.5.3 键丝与焊料层两种主要失效模式之间的耦合关系分析
5.6 本章小结
参考文献
第6章 基于芯片疲劳失效机理的健康状态监测方法
6.1 基于阈值电压的IGBT健康状态监测方法
6.1.1 IGBT阈值电压疲劳变化规律建模与分析
6.1.2 IGBT阈值电压健康状态监测方法
6.2 基于集电极漏电流的IGBT健康状态监测方法
6.2.1 IGBT集电极漏电流疲劳变化规律建模与分析
6.2.2 IGBT集电极漏电流健康状态监测方法
6.3 基于关断时间的IGBT健康状态监测方法
6.3.1 IGBT关断时间疲劳变化规律建模与分析
6.3.2 IGBT关断时间健康状态监测方法
6.4 本章小结
参考文献
第7章 基于封装疲劳失效机理的健康状态监测方法
7.1 基于热阻的IGBT健康状态监测方法
7.1.1 焊料层空洞有限元建模及其对热阻的影响
7.1.2 基于热阻的IGBT健康状态监测方法
7.2 基于集射极饱和压降的IGBT健康状态监测方法
7.2.1 IGBT集射极饱和压降随封装疲劳的变化规律
7.2.2 基于集射极饱和压降的IGBT健康状态监测方法
7.3 基于结温的IGBT健康状态监测方法
7.3.1 基于IGBT关断电压变化率的结温监测方法
7.3.2 基于IGBT损耗与传热特征的结温预测方法
7.3.3 基于结温的IGBT失效判据与寿命预测方法
7.4 本章小结
参考文献
书单推荐
