Analisi dei cicli di temperatura e delle caratteristiche di isolamento dei moduli IGBT ad alta affidabilità

IGBT è un nuovo tipo di dispositivo a semiconduttore di potenza che integra i vantaggi del BJT (transistor a giunzione bipolare) e del MOSFET (transistor a effetto di campo a semiconduttore a ossido di metallo), caratterizzato da alta tensione, corrente elevata, elevata impedenza di ingresso, bassa potenza di azionamento e velocità di commutazione elevata. È molto richiesto in applicazioni quali sistemi di controllo di servomotori missilistici, armi laser e sistemi di controllo di volo di aerei da combattimento. La sua affidabilità determina in gran parte l'affidabilità dell'intero dispositivo. Man mano che la tensione e la corrente di lavoro dell'IGBT aumentano e le dimensioni del chip diminuiscono continuamente, la densità di potenza del chip aumenta notevolmente, rendendo la dissipazione del calore e l'affidabilità le questioni chiave da affrontare.

I substrati ceramici sono i materiali chiave più utilizzati per i moduli IGBT, caratterizzati da eccellente conduttività termica, resistenza al calore, proprietà di isolamento e basso coefficiente di espansione e sono adatti per l'incollaggio di fili di alluminio. I substrati ceramici rivestiti in rame sono costituiti da uno strato di circuito metallico e uno strato ceramico. A causa della significativa differenza di dilatazione termica tra la ceramica e il metallo, lo stress termico generato durante l'uso può causare la rottura e il cedimento del substrato. Le crepe si verificano tipicamente in aree di concentrazione di stress o di sollecitazione elevata nel materiale. Dopo cicli sufficienti, le crepe iniziano nella concentrazione di stress o nelle aree ad alta tensione del materiale e un'ulteriore espansione delle crepe avviene sotto l'azione di carichi ciclici fino alla completa frattura del materiale. Pertanto, lo studio dell’affidabilità del ciclo termico dei substrati ceramici è di grande importanza.

Stato attuale dei materiali del substrato ceramico

I materiali DBC (pannelli ceramici rivestiti in rame) per i moduli IGBT comprendono principalmente tre tipi: substrato ceramico in ossido di alluminio, substrato ceramico in nitruro di alluminio e substrato ceramico in nitruro di silicio.

● Al2O3 è il materiale più comunemente utilizzato, caratterizzato da eccellente isolamento, stabilità chimica e proprietà meccaniche. Il processo è relativamente maturo, il costo è basso, ma Al2O3 ha una bassa conduttività termica e il suo coefficiente di dilatazione termica non corrisponde bene a quello dei chip semiconduttori (tipicamente il Si ha 2,8×10-6·K-1). È adatto per moduli IGBT di media e bassa potenza.

● AlN ha un'elevata conduttività termica, circa 6 volte quella di Al2O3. Il suo coefficiente di dilatazione termica è relativamente compatibile con i chip semiconduttori. Tuttavia, è difficile rivestire direttamente il rame sulla sua superficie e il costo è circa 4 volte quello di Al2O3. L'AlN può decomporsi in ossido di alluminio idrato a temperature e umidità più elevate. La sua resistenza alla flessione e alla frattura sono relativamente basse, il che lo rende soggetto a fessurazioni durante il processo di ciclo termico dopo la saldatura, il che influisce sull'affidabilità dell'intero modulo di potenza. È adatto per moduli IGBT ad alta potenza.

● Il coefficiente di dilatazione termica del Si₃N₄ si adatta meglio al chip del semiconduttore. Le sue proprietà meccaniche sono più del doppio di quelle di Al₂O₃ e AlN, la sua conduttività termica è più di 2,5 volte quella di Al₂O₃, ha leggerezza alle alte temperature, eccellente resistenza agli shock termici e il suo costo è circa 2,5 volte quello di Al₂O₃. Per i moduli IGBT ad alta potenza, il nitruro di silicio è attualmente il materiale ottimale.

Test ciclico della temperatura ​​

Per garantire che l'IGBT soddisfi i requisiti di valutazione del livello JM2, è necessario valutare l'affidabilità dell'IGBT. Attualmente, il metodo comunemente utilizzato è il test dei cicli di temperatura. L'IGBT viene riscaldato e raffreddato nel suo complesso utilizzando una camera per test di shock termico, provocando variazioni di temperatura in tutto il modulo. Secondo i requisiti di GJB128A 'Metodi di test per dispositivi discreti a semiconduttore', l'intervallo di temperatura è compreso tra -55 e 150 ℃, il tempo di trasferimento non deve superare 1 minuto e il tempo di mantenimento non deve essere inferiore a 10 minuti. Nella norma IEC60749-25 'Test meccanici e di variazione climatica per dispositivi a semiconduttore - Parte 25: Cicli di temperatura', il tempo di mantenimento deve essere ≥ 15 minuti. Pertanto, il tempo di mantenimento del test dei cicli di temperatura è stato esteso a 30 minuti per verificare l'affidabilità del substrato ceramico.

① Obiettivo del test

Determinare la capacità dell'IGBT di resistere a temperature estremamente alte e basse e l'impatto dell'esposizione alternata a temperature così estreme sulla tensione di resistenza dell'isolamento dell'IGBT. Inoltre, per studiare i corrispondenti fenomeni di guasto degli IGBT nel tempo in condizioni di utilizzo e conservazione difficili.

② Condizioni di prova

Prima del test, è necessario confermare che la temperatura della cella dell'apparecchiatura rientri nel periodo di validità della calibrazione per garantire la validità dei risultati del test. Il posizionamento del modulo dovrebbe garantire che non ostruisca il flusso d'aria all'interno della camera di prova. Le condizioni di temperatura del test vanno da -55 a 150 ℃, con un tempo di mantenimento di 30 minuti, per un totale di 1000 cicli. Il tempo di trasferimento tra la zona calda e la zona fredda non deve superare 1 minuto. Dopo il test, per essere efficace, il test di resistenza alla tensione di isolamento deve essere condotto entro 8 ore.

③ Meccanismo di fallimento

Il substrato ceramico è una struttura composita bimateriale a tre strati composta da rame-ceramica-rame. Durante il test dei cicli di temperatura, quando il substrato nel suo insieme è sottoposto uniformemente a carichi di temperatura che variano nel tempo, a causa della mancata corrispondenza dei coefficienti di dilatazione termica tra rame e ceramica e della presenza di vincoli di deformazione, si verifica una concentrazione di stress all'interfaccia, soprattutto in corrispondenza dei bruschi cambiamenti geometrici (comunemente indicati come punti singolari).

Quando la temperatura esterna raggiunge i 150℃, lo strato di rame sul substrato ceramico subirà una deformazione plastica. Durante il processo di ciclaggio della temperatura, la deformazione plastica dello strato di rame si accumula in modo significativo e la concentrazione dello stress si verifica nel punto di cambiamento geometrico brusco dello strato di rame e dell'interfaccia ceramica. A causa della singolarità dello stress relativamente debole all'estremità dell'interfaccia, quando si verifica la concentrazione dello stress sull'interfaccia, il cedimento del materiale legante inizierà dalla posizione della concentrazione dello stress, generando così crepe. Allo stesso tempo, durante il processo di produzione del substrato ceramico, c'è una differenza significativa tra 1066 ℃ e la temperatura ambiente e il substrato presenta un certo stress residuo. Ciò farà sì che la fessura devii dalla direzione originale della fessura e si estenda nella matrice ceramica, provocando la rottura. Inoltre, la ceramica è formata dalla sinterizzazione delle polveri e sono presenti crepe o vuoti estremamente piccoli come difetti intrinseci. Questi difetti intrinseci fungeranno anche da punti deboli della matrice ceramica e indurranno la fessura ad estendersi nella direzione del difetto. Dopo che la fessura si è estesa per una certa lunghezza, continua ad espandersi nella direzione parallela all'interfaccia, portando infine alla completa frattura del substrato.

Venti moduli IGBT con AlN, Si3N4, Al2O3 come substrati ceramici e il 9% di zirconio aggiunto ad Al2O3 sono stati utilizzati per 500 cicli (livello JM2) e 1000 cicli (livello JM3) di test di ciclaggio della temperatura. Prima delle prove sono state condotte prove di tenuta alla tensione di isolamento sui moduli. Il test di resistenza alla tensione di isolamento è stato eseguito al centesimo ciclo e successivamente ogni 50 cicli fino al millesimo ciclo.

Il substrato AlN aveva un isolamento di 1 modulo che ha resistito ai guasti di tensione nella 200a occasione, un isolamento di 2 moduli che ha resistito ai guasti di tensione nella 250a occasione e un altro isolamento di 2 moduli che ha resistito ai guasti di tensione nella 300a occasione. Di conseguenza, tutti e 5 i moduli presentavano un isolamento in grado di resistere ai guasti di tensione. Nella 500a occasione, sono state riscontrate guasti anche a 3 tensioni di tenuta dell'isolamento del modulo Al2O3. Dopo 1000 cicli di temperatura, le tensioni di resistenza all'isolamento dei substrati ceramici Si3N4 e Al2O3 (drogato con 9% di zirconio) erano tutte qualificate. Ciò dimostra la razionalità dell'analisi teorica della propagazione delle cricche nei substrati ceramici. L'affidabilità di AlN è inferiore a quella di Si3N4 e Al2O3 e l'affidabilità di Al2O3 è inferiore a quella di Si3N4.

Simulazione

Prendendo come oggetto di ricerca il modulo IGBT da 650 V/200 A, il campo di temperatura stazionario di diversi substrati ceramici è stato simulato utilizzando il metodo degli elementi finiti ANSYS. Le resistenze termiche di diversi substrati sono state confrontate per fornire la migliore soluzione di conduzione del calore.

Nelle stesse condizioni di potenza e scambio di calore, la temperatura di funzionamento più alta in stato stazionario del modulo IGBT Al2O3 era di 125,39℃, corrispondente a una temperatura inferiore di 103,00℃, e la resistenza termica era di 0,022℃/W. La temperatura operativa più alta in stato stazionario del chip FRD è stata di 89,95 ℃, corrispondente a una temperatura inferiore di 65,21 ℃, e la resistenza termica è stata di 0,049 ℃/W.

Distribuzione della temperatura operativa allo stato stazionario di chip IGBT in allumina e chip FRD

Nelle stesse condizioni di potenza e scambio di calore, la temperatura operativa massima stabile del modulo IGBT che utilizza Si3N4 è 117,75℃, con la temperatura inferiore di 104,74℃ e la resistenza termica di 0,013℃/W. La temperatura operativa massima stabile del chip FRD è 82,08℃, con la temperatura inferiore di 64,65℃ e la resistenza termica di 0,036℃/W.

Distribuzione della temperatura operativa allo stato stazionario dei chip IGBT al nitruro di silicio e dei chip FRD

Nelle stesse condizioni di potenza e scambio di calore, la temperatura operativa massima a regime del modulo IGBT che utilizza AlN è 116,76℃, corrispondente a una temperatura inferiore di 101,10℃ e una resistenza termica di 0,015℃/W. La temperatura operativa massima a stato stazionario del chip FRD è 80,93℃, corrispondente a una temperatura inferiore di 63,82℃ e una resistenza termica di 0,034℃/W.

Il confronto tra le strutture IGBT e le resistenze termiche di diversi materiali ceramici mostra che le resistenze termiche di AlN e Si3N4 sono comparabili, mentre la conduttività termica di Al2O3 è relativamente scarsa e il suo valore di resistenza termica è più elevato.

Conclusione

In questo articolo è stato condotto un test di ciclizzazione della temperatura utilizzando un modulo IGBT da 650 V/200 A. Sulla base dei risultati del test, sono state tratte le seguenti conclusioni:

● Il cedimento del substrato ceramico si è verificato sul bordo del substrato vicino all'interfaccia di saldatura sul lato ceramico.

● Considerando che la lavorazione effettiva dei substrati di nitruro di alluminio ha uno spessore doppio rispetto a quello dei substrati di nitruro di silicio, è stato stabilito un modello con diverse resistenze termiche DBC utilizzando il metodo degli elementi finiti ANSYS. I risultati del calcolo hanno indicato che la resistenza termica del substrato di nitruro di alluminio era coerente con quella del substrato di nitruro di silicio.

● Le prestazioni del laminato ceramico rivestito in rame al nitruro di silicio sono le migliori. I moduli IGBT ad alta affidabilità dovrebbero utilizzare nitruro di silicio come materiale del substrato.