华北电力大学彭程、李学宝 等：压接型IGBT芯片动态特性实验平台设计与实现
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彭程
博士研究生，研究方向为高压大功率半导体器件封装。
李学宝
华北电力大学电气与电子工程学院副教授，是本文通讯作者，主要研究领域为高压大功率电力电子器件封装。目前主持国家自然科学基金项目2项。发表SCI/EI收录论文60余篇，其中以第一或通信作者发表/录用SCI论文30篇，获省部级一等奖3项；现任《High Voltage》副编辑、中国电机工程学会电工理论与新技术专业委员会第八届委员会秘书长等。
团队隶属于新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学），团队学术带头人为崔翔教授。自2012起围绕高压大功率电力电子器件国产化研制与全球能源互联网研究院有限公司合作开展研究，聚焦高压（3.3kV以上）Si、SiC基MOSFET和IGBT器件封装领域，围绕芯片建模与特性分析、多芯片并联均流、封装绝缘特性分析以及封装中的多物理场分析与调控等问题，支撑高压大功率IGBT器件国产化研制。承担的国家项目包括国家自然科学基金-智能电网联合基金重点项目1项、面上项目1项、国家重点研发计划课题1项以及子课题4项。
压接型IGBT器件内部芯片在运行过程中承受着电-热-力多物理量的综合作用，由此引起的IGBT芯片特性差异会严重影响压接型IGBT器件的工作性能，研究电-热-力影响下的IGBT 芯片动态特性对于指导IGBT芯片建模以及规模化IGBT并联封装设计具有重要意义。
项目研究背景
相比于传统的焊接型IGBT模块，压接型IGBT器件依靠机械压力将内部IGBT芯片并联连接在一起，取消了焊接型IGBT模块中常用的绑定线连接，使其具有双面散热、失效短路、功率密度大等优点。
随着压接型IGBT器件功率等级的增加，对芯片研发和封装集成技术也提出了诸多挑战。难点之一是在于复杂电-热-力条件下器件内部大量IGBT芯片之间的并联均流问题。因此全面研究压接型IGBT芯片的动态特性及其影响因素对于规模化芯片并联电流均衡具有重要意义。
论文所解决的问题及意义
本文针对电-热-力综合作用下压接型IGBT芯片动态特性测试需求，对实验平台的关键问题进行了仿真计算和实验验证。所研制平台具有回路寄生电感小、芯片表面受力均衡及机械夹具温度分布合理的特点。可以满足不同电压、机械压力及温度下压接型IGBT芯片动态特性测试的需求，为压接型IGBT芯片动态特性测试提供了实验基础。
论文方法及创新点
本文采用仿真计算指导平台设计、实验验证定量指标的方法对压接型IGBT芯片动态特性测试的三个关键问题进行了阐述。建立了多因素独立可调的压接型IGBT芯片动态特性实验平台。
实验平台主体结构
创新点1 提出了连接母排寄生电感较低的设计方案，通过有限元计算软件对不同连接母排结构和不同母排尺寸的寄生电感进行了提取，所采用的对称叠层母排方案，连接母排电感仅为45.6nH，并且通过实验结果验证电压过冲百分比可以控制在2.35%，满足了压接型IGBT芯片双脉冲实验的要求。
图1 不同连接母排结构
图2 双脉冲实验电压过冲
创新点2 提出了双面球碗压力均衡结构，解决了由于压力夹具各组件的加工精度造成的平行度问题和压力夹具在人为装配过程存在的偏心问题，改善了压接型IGBT芯片表面的应力分布，芯片表面受力不均衡度由46.7%降低到2.6%，满足了压接型IGBT芯片双脉冲实验中压力均衡调节的要求。
图3 芯片表面压力分布计算结果
图4 芯片表面压力分布实验结果
创新点3 设计了可灵活调节温度的加热模块，通过热电偶的反馈作用与PID控制中心调控加热板的输出功率，从而保证加热板温度的准确性和稳定性，采用环氧树脂板来控制热量流动减小压接型IGBT芯片结温的误差，由25.60%降低到0.27%，满足了压接型IGBT芯片双脉冲实验中温度均衡调节的要求。
图5 压力夹具各组件温度分布计算结果
图6 机械夹具各组件温度分布实验结果
结论
基于仿真分析和实验结果，可以得到以下结论：
1）通过叠层母排结构及合理的母排尺寸设计，减小了实验回路的寄生电感，实验测得本文母排的寄生电感仅为42.42nH，满足双脉冲测试的需求。
2）采用双面球碗结构有效地改善了压接型IGBT芯片表面受力不均的问题，实验结果表明，双面球碗结构使芯片表面受力不均衡度由46.7%降低到2.6%，在1～3倍额定机械压力下均能保证压接型IGBT芯片的安全测试。
3）采用环氧树脂板改善了压力夹具各组件温度分布，实验结果表明，合理的环氧树脂板位置使IGBT芯片结温误差由25.60%降低到0.27%，有效地减小了压接型IGBT芯片结温误差对动态特性测试的影响。
引用本文
彭程, 李学宝, 张冠柔, 赵志斌, 崔翔. 压接型IGBT芯片动态特性实验平台设计与实现[J]. 电工技术学报, 2021, 36(12): 2471-2481. Peng Cheng, Li Xuebao, Zhang Guanrou, Zhao Zhibin, Cui Xiang. Design and Implementation of an Experimental Platform for Dynamic Characteristics of Press-Pack IGBT Chip. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(12): 2471-2481.
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.201445