功率型半导体器件IGBT可靠性的多物理场仿真建模.docx

摘要：绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor,简称IGBT），是新一代电力电子器件。现如今，科研技术的日趋发展壮大，让IGBT成为了电力电子器件的核心设备。作为一种新型的功率半导体器件，它有着电流密度高、饱和电压低、开关速率快、输入阻抗高等特征，已在新能源发电、高压输电等诸多重要领域中得到普及。IGBT模块在恶劣的环境中运行，在工作过程当中，电流和电压的高强度以及高开关频率等致使器件功率耗损和结温频频波动，易使器件故障老化。半导体器件是温敏器件，工作运行的时间愈长，耗散的功率愈大。长此以往，器件就会出现故障，其温度场分布也会出现异样变得不均匀。例如，因热稳定性而致使的引线失效问题。IGBT器件在承受连续的热冲击下，容易使结温出现大幅度的波动而引起的IGBT器件老化失效，成为制约其可靠运行的主要原因。因此改善IGBT器件的可靠性问题成为目前亟待解决的问题。

本文首先探讨了IGBT器件的基本构造和运行机理，通过SolidWorks画图软件对IGBT器件建立切合实际的三维有限元模型，然后在ANSYS有限元分析软件平台上对IGBT器件进行仿真，研究IGBT的温度分布场。研究结果显示，由于IGBT模块是由不同的材质组成的多层结构，其多层材质各异的材料属性，如导热率、热膨胀系数等，会使得IGBT在运行工作中产生热机械应力。在器件散热不佳、温度逐渐升高且功率损耗增大的情况下，器件就会出现引线断裂脱落，焊层疲劳老化等故障，缩短其使用寿命。

关键词：IGBT及其可靠性；ANSYS有限元仿真；引线失效；电力电子

目录

摘要

Abstact

1 绪论-1

1.1 前言-1

1.2 研究背景及意义-1

1.3 国内外研究现状-4

2 IGBT的简介与基本工作原理-5

2.1 IGBT的简介-6

2.2  IGBT的基本结构-6

2.3  IGBT的工作原理-7

2.4  IGBT的运行特性-9

2.4.1  IGBT的静态特性-9

2.4.2  IGBT的动态特性-10

3 研究方法-11

3.1  方案路线-11

3.2  建模及仿真方法-12

3.2.1  建模软件——SolidWorks-12

3.2.2  仿真软件——ANSYS-13

4 结果与讨论-14

4.1  IGBT模块结构建模-14

4.2  IGBT热应力分布仿真-17

4.2.1  IGBT多层结构双金属效应-17

4.2.2  热应力分析-18

4.2.3  热应力分布模拟仿真-18

4.3  结论-23

5 总结-24

参考文献-25

致谢-27