IGBT执阻热谱和热瞬态过程的研究
在信息化社会的今天，半导体技术飞速发展，半导体产品正在改变着人们的生活。在轨道交通、工业生产、汽车电子、高压输电、军民用飞机船舶等领域，需要具有高电压、大电流处理能力的功率电力电子器件，以实现电能变换和控制。电力电子器件最初的产品是整流管、晶闸管、功率MOSFET、大功率GTR等产品、但是这些产品都有着自身的缺点。IGBT（绝缘栅双极晶体管）是一种近些年来应用广泛，迅猛发展的一种功率电力电子器件。IGBT既具有功率MOSFET电压控制和开关速度快的优点，又具有双极晶体管导通电压低、载流能力大的优点。此外，它还具有易集成的优点，可以与一些外围电路如过压过流保护电路共同集成在一个芯片内，而且我们可以将许多IGBT单元串联组成智能化的IGBT模块。IGBT使电力电子设备的频率、功率、可靠性等在内的综合性能得到了极大的提升。 IGBT功率器件工作时间一般较长、耗散功率大、且工作环境恶劣，其热学可靠性对器件的正常工作影响重大。据美国航天中心的统计数据表明，55％的器件的失效是源于热学失效。本论文主要对IGBT的热学可靠性展开研究，具体分为三个方面: (1)热阻研究:热阻是反应器件热学性能的重要参数，热阻微观上可以理解为载流子对热的传导能力，热阻值的大小反应器件对热流的传导与发散能力。热阻传统上被认为是器件的固有性质，但是通过我们大量的实验证明，热阻值与测试环境有很大关系。另一方面，我们对热阻的两种定义方法进行相关的分析和评价。热阻共有两种定义标准，分别是国际电工委员会(IEC)定义的热阻测试标准和固态协会(JEDEC)定义的热阻测试标准。国际电工委员会(IEC)的热阻测试方法基于稳态过程，不足之处是壳温测试误差大。为克服这个缺点固态协会定义了一种新的方法测试热阻，这种方法基于热瞬态过程，不涉及到壳温的测量，但是固态协会的标准也有自己的缺点，论文将对两种方法进行详细的介绍和评价。 (2)热谱研究:晶体管pn结温度传统上常被假设为均匀的，标准电学法是获得均匀结温的一种方法。但是通过拍摄晶体管工作情况下的红外热像图可以发现的结内温度分布十分不均匀，由此说明这种假设是不成立的。得到晶体管结温分布对于热阻的测量、最大施加功率的选择、整机的可靠性有着十分重要的意义。用红外热像仪虽然可以得到晶体管的结温分布，但是其测试成本高、检测过程对器件有破坏性损伤。我们创造性的利用电学方法得到晶体管的热谱（结温分布谱）。这种方法的理论基础是小电流过趋热效应、热谱理想算法等等，主要参数是峰值结温和有效面积。电学法得到晶体管热谱方便简洁、对器件无破坏性，电学法进行热谱分析在晶体管热可靠研究领域有着重大实用价值。 (3)基于热瞬态的封装检测:分析晶体管的热特性时，我们一般分析晶体管的稳态过程，得到稳态下被测器件的结温、壳温、或者环境温度等参数。但是稳态过程涉及的参考点少，反映的信息量较少。结温上升过程或者下降过程是瞬态过程，瞬态过程持续时间长，反映信息量大。我们利用先进的设备，以极短的时间间隔采集瞬态时的温度变化信息，通过处理，我们可以得到器件热通路的各层材料的结构特征。此外通过最终得到的结构函数，我们可以得到器件封装信息，通过这种方法，我们可以筛选出封装不合格的产品，对生产检测有重大价值。
热稳态;IGBT执阻热谱;热瞬态;结构函数
山东大学
硕士
微电子学与固体电子学
肖洪地;张兴华
2014
中文
TN321
77
2014-10-28（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）