CN107679353A - 模拟压接式igbt器件失效短路机理的有限元建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及本发明涉及一种模拟压接式IGBT器件失效短路机理的有限元建模方法，属于大功率半导体器件失效机理和可靠性研究领域。该建模方法包括压接式IGBT失效短路过程模拟，建立失效短路形成渗透坑的压接式IGBT器件等效模型，通过设置渗透坑内铝元素含量，形成不同失效短路过程的材料属性变化；压接式IGBT器件多物理场建模，建立压接式IGBT器件几何模型，基于不同失效短路过程的材料属性变化，循环仿真模拟在不同失效短路过程中电阻、热阻变化规律。本发明实现了压接式IGBT器件失效短路过程有限元建模分析，通过考虑渗透坑的失效短路等效模型，模拟了压接式IGBT器件在发生失效短路过程中特征参数的变化，可以为压接式IGBT器件失效短路状态监测提供基础。

Description

模拟压接式IGBT器件失效短路机理的有限元建模方法

技术领域

本发明属于大功率半导体器件失效模拟仿真领域，涉及一种模拟压接式IGBT器件失效短路机理的有限元建模方法。

背景技术

压接式IGBT器件因为其双面散热、失效短路等优点正逐步取代焊接式IGBT应用到柔性直流换流阀中，无论从器件设计可靠性和系统运行可靠性角度，压接式IGBT器件失效短路过程分析至关重要。通过压接式IGBT器件短路测试实验来分析其失效过程方法，由于失效短路发生时间短，难以分析其整个失效短路过程的参数和性能变化规律；而传统的多物理场建模方法不适合模拟其失效短路过程和特征参数变化。因此，基于压接式IGBT器件失效短路的机理，运用有限元法模拟压接式IGBT器件的失效短路过程，对柔性直流换流阀用压接式IGBT的可靠性运行和特征参数状态监测都具有重要现实意义。

现有方法在分析压接式IGBT器件失效短路时主要侧重于分析失效化学、物理机理。但实际上，压接式IGBT器件从失效短路发生到最终短路有一个变化过程，IGBT芯片上铝镀层不断融入芯片内出现渗透坑，使压接式IGBT的特征参数发生变化。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种模拟压接式IGBT器件失效短路机理的有限元建模方法，从而达到更准确地分析压接式IGBT器件失效短路过程的目的，为有效监测压接式IGBT器件失效短路的特征参数提供支撑。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

模拟压接式IGBT器件失效短路机理的有限元建模方法，该方法包含压接式IGBT失效短路过程模拟，用于模拟压接式IGBT器件失效部位渗透过程和特征参数的变化；

具体包含如下步骤：

S1：建立压接式IGBT器件的渗透坑劣化模型；

S2：将压接式IGBT器件的失效短路渗透坑进行电导率变换处理，计算不同渗透程度时的电导率；

S3：设置压接式IGBT器件处于不同失效短路程度的电导率；

S4：建立IGBT器件含渗透坑的等效模型；

S5：仿真不同渗透程度下压接式IGBT器件的稳态特性；

S6：获得压接式IGBT器件的失效短路等效模型。

进一步，所述渗透坑由所述压接式IGBT器件的芯片表面铝镀层与硅芯片，在高温、高压下经渗透反应形成。

进一步，所述压接式IGBT器件的渗透坑的失效短路程度由渗透坑内的铝和硅的比例决定，所述渗透坑的渗透程度电导率换算公式为：

Q＝αQ_Al+(1-α)Q_Si

其中Q表示渗透坑内的电导率，α表示铝的渗透量，Q_Al表示铝的电导率，Q_Si表示硅的电导率；

根据不同的铝渗透情况，根据渗透坑内的电导率与硅电导率的比值定义仿真失效短路过程：

其中n为渗透坑内的电导率与硅电导率的倍数关系，γ为铝、硅电导率的比值，为固定常数。

进一步，所述步骤S2中，还根据渗透坑内的电导率与硅电导率的比值不断变大，增大渗透坑内的电导率值。

进一步，所述压接式IGBT器件的结构包括层叠的集电极铜板、上钼层、IGBT芯片、下钼层、银垫片、栅极弹针、底层凸台和PCB驱动板；

所述压接式IGBT器件的结构包括还包括PEEK外壳，所述电极铜板、上钼层、IGBT芯片，下钼层、银垫片、栅极弹针通过外部压力安装在所述底层凸台上且均安置在PEEK外壳内；

所述IGBT芯片包含无源区、有源区、集电极区、栅驱动区和渗透坑，所述无源区位于芯片的边缘并完全包围所述有源区，所述集电极区位于栅极的背面，所述栅驱动区在有源区的顶角上，所述渗透坑在所述有源区内，在所述有源区、集电极区和栅驱动区表面均沉积有铝金属层；

所述PCB驱动板处于PEEK下层，安装在底层凸台底部，外置端头连接驱动器。

进一步，步骤S4中根据所述压接式IGBT器件的材料特性进行多物理场建模，所述步骤S4具体为：

S41：建立压接式IGBT器件的几何模型；

S42：设置各层材料的相对材料参数，包含电极铜板、上钼层、下钼层、IGBT芯片和银垫片的热膨胀系数、杨氏模量和泊松比；

S43：设置压接式IGBT器件的机-热-电物理场参数与边界条件；

S44：对压接式IGBT器件进行有限元建模网格剖分；

S45：仿真获取压接式IGBT在多物理场下的热阻、电阻分布。

进一步，步骤S5中根据所述压接式IGBT器件的失效短路过程进行多物理场仿真，所述步骤S5具体为：

S51：建立压接式IGBT器件失效短路模型，设置芯片的表面渗透坑；

S52：将渗透坑内的电导率根据不同铝、硅含量进行等效换算；

S53：将等效换算后的电导率导入压接式IGBT模型，进行等效仿真；

S54：提取不同渗透程度的电阻、热阻仿真结果，得到压接式IGBT失效短路过程特征参数变化，获得压接式IGBT器件失效短路等效模型。

本发明的有益效果在于：本发明的方法根据压接式IGBT失效短路机理过程进行有限元建模，实现了压接式IGBT失效短路过程的分析，通过模拟压接式IGBT失效短路过程中渗透坑电导率的变化获取压接式IGBT失效短路等效模型。本发明等效模拟了压接式IGBT失效短路过程中电阻、热阻的变化趋势，更准确地反映了压接式IGBT失效短路过程中特征参数的变化，这也为进一步开展压接式IGBT器件失效短路的状态监测设计奠定了基础。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明的建模方法的流程图；

图2为压接式IGBT芯片渗透坑建模；

图3为压接式IGBT器件有限元建模示意图；

图4为压接式IGBT失效短路机理与过程。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

图1为本发明的建模方法的流程图，如图1所示，联合建模方法包括压接式IGBT器件多物理场建模以及失效短路渗透坑建模，其中：

压接式IGBT模拟失效短路过程建模，根据压接式IGBT器件失效短路机理，建立IGBT芯片表面渗透坑劣化模型，通过渗透坑电导率变化模拟失效短路过程。

具体过程为：建立失效短路渗透坑建模，IGBT芯片失效短路渗透坑等效模型：通过对铝渗透量与电导率等效换算来计算渗透坑不同失效程度。

具体为：首先，在ANSYS，Icepack，COMSOL中建立含芯片渗透坑的压接式IGBT器件有限元几何模型，然后对渗透坑内的材料属性进行设置，根据电导率与材料含量等效换算公式：

Q＝Q_Al·α+Q_Si·(1-α)

上式考虑了不同铝渗透情况下渗透坑内电导率的变化规律，其中，α表示铝渗透量，Q_Al、Q_Si、Q分别带来铝电导率、硅电导率、渗透坑内电导率。接着根据不同铝渗透情况下，渗透坑内电导率与硅电导率的比值，定义仿真失效短路过程：

公式得到渗透坑内电导率与硅电导率的倍数关系，其中γ等于铝、硅电导率比为固定常数。由此得到了有限元仿真条件下的设置参数，通过设置渗透坑内不同大小的电导率，对应了不同铝渗透浓度下的失效程度；在此基础上建立压接式IGBT器件失效短路过程有限元模型。

压接式IGBT多物理场器件建模，根据压接式IGBT器件几何参数与材料属性，考虑压接式IGBT使用过程中器件内部多物理场耦合和边界条件仿真提取压接式IGBT导通电阻与热阻等参数。

具体过程为：建立压接式IGBT器件模型，通过对实际压接式IGBT结构尺寸测量和材料提出，对器件进行建模包含定义材料、接触，选择物理模型和边界条件，进一步，选择有限元仿真方法。

具体为：

首先，在ANSYS，Icepack，COMSOL中建立含芯片渗透坑的压接式IGBT器件有限元几何模型。

然后，设置各层材料相对于材料参数，包含电极铜板、上下钼层、IGBT芯片，银垫片的热膨胀系数、杨氏模量、泊松比等，计及压接式IGBT器件运行工况，设置电、热、力多物理场进行仿真分析，设置不同仿真环境下边界条件，接着，进行有限元网格剖分。

最终，仿真提取压接式IGBT在稳态情况下的电阻、热阻，从而获得压接式IGBT在渗透坑不同劣化度下的特征参数，获得压接式IGBT失效短路过程特征参数变化。

如图2所示，在本实施例中，压接式IGBT芯片的正面包括有无源区1、有源区2、渗透坑3和栅驱动区4。有源区其表面沉积有铝金属层，在芯片背面集电极表面也沉积有铝金属层；无源又称终端区位于芯片边缘，用于降低有源区边缘电场强度以防止出现雪崩击穿；栅驱动区又称控制区位于芯片有源区的角落，用于控制IGBT器件的导通和关断，渗透坑模拟在失效短路过程中铝与硅芯片发生反应的区域。

如图3所示，在本实施例中，压接式IGBT器件主要结构主要包括水冷板4、集电极铜板5、上钼片6、IGBT芯片7、下钼片8、银垫片9、底层铜凸台10，栅极顶针和栅极PCB未在图中画出。

压接式IGBT器件有限元仿真，多物理场包括电、热、力物理场场，其中电场边界条件：通过集电极铜板施加电源，底层铜凸台接地；热场边界条件：上下层通过水冷板散热，模块其他表面设置为热绝缘；力场边界条件：集电极铜板施加压力，底层凸台固定。

与常规IGBT器件有限元建模方法相比，本发明的一种压接式IGBT器件失效短路机理的有限元建模方法，通过对压接式IGBT失效短路机理进行仿真建模，实现了压接式IGBT器件失效短路过程的复现，通过芯片设置渗透坑仿真提取在失效短路过程中压接式IGBT特征参数的变化。该方法等效模拟了压接式IGBT失效短路过程中电阻、热阻的变化趋势，更准确地反映了压接式IGBT失效短路过程中特征参数的变化，这也为进一步开展压接式IGBT状态监视设计奠定了基础。

如图4所示，在本实施例中，压接式IGBT失效短路机理，实则为渗透坑内铝不断渗透的过程，随着渗透的加速该区域电导率降低，渗透过程不断进行最终使流过压接式IGBT器件的电流全由渗透坑内流过。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (7)

1.模拟压接式IGBT器件失效短路机理的有限元建模方法，其特征在于：该方法包含压接式IGBT失效短路过程模拟，用于模拟压接式IGBT器件失效部位渗透过程和特征参数的变化；

具体包含如下步骤：

S1：建立压接式IGBT器件的渗透坑劣化模型；

S2：将压接式IGBT器件的失效短路渗透坑进行电导率变换处理，计算不同渗透程度时的电导率；

S3：设置压接式IGBT器件处于不同失效短路程度的电导率；

S4：建立IGBT器件含渗透坑的等效模型；

S5：仿真不同渗透程度下压接式IGBT器件的稳态特性；

S6：获得压接式IGBT器件的失效短路等效模型。

2.根据权利要求1所述的模拟压接式IGBT器件失效短路机理的有限元建模方法，其特征在于：所述渗透坑由所述压接式IGBT器件的芯片表面铝镀层与硅芯片，在高温、高压下经渗透反应形成。

3.根据权利要求1所述的模拟压接式IGBT器件失效短路机理的有限元建模方法，其特征在于：所述压接式IGBT器件的渗透坑的失效短路程度由渗透坑内的铝和硅的比例决定，所述渗透坑的渗透程度电导率换算公式为：

Q＝αQ_Al+(1-α)Q_Si

其中Q表示渗透坑内的电导率，α表示铝的渗透量，Q_Al表示铝的电导率，Q_Si表示硅的电导率；

根据不同的铝渗透情况，根据渗透坑内的电导率与硅电导率的比值定义仿真失效短路过程：

<mrow> <mi>n</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>Q</mi> <msub> <mi>Q</mi> <mrow> <mi>S</mi> <mi>i</mi> </mrow> </msub> </mfrac> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>&amp;alpha;Q</mi> <mrow> <mi>A</mi> <mi>l</mi> </mrow> </msub> </mrow> <msub> <mi>Q</mi> <mrow> <mi>S</mi> <mi>i</mi> </mrow> </msub> </mfrac> <mo>+</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mi>&amp;alpha;</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mi>&amp;alpha;</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;gamma;</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <mn>1</mn> </mrow>

其中n为渗透坑内的电导率与硅电导率的倍数关系，γ为铝、硅电导率的比值，为固定常数。

4.根据权利要求1所述的模拟压接式IGBT器件失效短路机理的有限元建模方法，其特征在于：所述步骤S2中，还根据渗透坑内的电导率与硅电导率的比值不断变大，增大渗透坑内的电导率值。

5.根据权利要求1所述的模拟压接式IGBT器件失效短路机理的有限元建模方法，其特征在于：所述压接式IGBT器件的结构包括层叠的集电极铜板、上钼层、IGBT芯片、下钼层、银垫片、栅极弹针、底层凸台和PCB驱动板；

所述压接式IGBT器件的结构包括还包括PEEK外壳，所述电极铜板、上钼层、IGBT芯片，下钼层、银垫片、栅极弹针通过外部压力安装在所述底层凸台上且均安置在PEEK外壳内；

所述IGBT芯片包含无源区、有源区、集电极区、栅驱动区和渗透坑，所述无源区位于芯片正面的边缘并完全包围所述有源区，所述集电极区位于芯片的背面，所述栅驱动区在有源区的顶角上，所述渗透坑在所述有源区内，在所述有源区、集电极区和栅驱动区表面均沉积有铝金属层；

所述PCB驱动板处于PEEK下层，安装在底层凸台底部，外置端头连接驱动器。

6.根据权利要求1所述的模拟压接式IGBT器件失效短路机理的有限元建模方法，其特征在于：步骤S4中根据所述压接式IGBT器件的材料特性进行多物理场建模，所述步骤S4具体为：

S41：建立压接式IGBT器件的几何模型；

S42：设置各层材料的相对材料参数，包含电极铜板、上钼层、下钼层、IGBT芯片和银垫片的热膨胀系数、杨氏模量和泊松比；

S43：设置压接式IGBT器件的机-热-电物理场参数与边界条件；

S44：对压接式IGBT器件进行有限元建模网格剖分；

S45：仿真获取压接式IGBT在多物理场下的热阻、电阻分布。

7.根据权利要求6所述的模拟压接式IGBT器件失效短路机理的有限元建模方法，其特征在于：步骤S5中根据所述压接式IGBT器件的失效短路过程进行多物理场仿真，所述步骤S5具体为：

S51：建立压接式IGBT器件失效短路模型，设置芯片的表面渗透坑；

S52：将渗透坑内的电导率根据不同铝、硅含量进行等效换算；

S53：将等效换算后的电导率导入压接式IGBT模型，进行等效仿真；

S54：提取不同渗透程度的电阻、热阻仿真结果，得到压接式IGBT失效短路过程特征参数变化，获得压接式IGBT器件失效短路等效模型。