SiC MOSFET的短路測(cè)試下的引線鍵合應(yīng)力分析

電力電子在日常生活中越來越普遍，尤其是當(dāng)我們正經(jīng)歷由寬帶隙（WBG）材料引發(fā)的革命時(shí)。

WBG材料在新型功率半導(dǎo)體器件（例如SiC MOSFET和GaN HEMT）的開發(fā)中的應(yīng)用，打破了傳統(tǒng)硅技術(shù)已確立的規(guī)則和概念，并且現(xiàn)在允許以更高的功率密度和效率實(shí)現(xiàn)功率轉(zhuǎn)換器的實(shí)現(xiàn)到等效的硅器件。

此外，隨著轉(zhuǎn)換器尺寸的減小和功率密度的提高，封裝解決方案也在不斷發(fā)展和更新。設(shè)計(jì)可靠且安全的轉(zhuǎn)換器，包括管芯與絕緣材料的選擇之間的連接，具有挑戰(zhàn)性。

除了提供緊湊，高效的解決方案外，WBG材料還必須在異?；蜿P(guān)鍵工作條件（例如短路和極端溫度操作）的情況下滿足安全要求。例如，SiC MOSFET需要安全吸收短路事件中涉及的大量能量，因?yàn)榭梢酝瑫r(shí)在器件端子上施加高電壓和高電流值。這些情況也可能產(chǎn)生較大的熱擺幅。

需要考慮這種事件在功率轉(zhuǎn)換器的使用壽命中發(fā)生的可能性及其后果，這吸引了許多研究人員的興趣?？紤]到重復(fù)短路，他們開展了許多活動(dòng)來提出與SiC MOSFET的柵極氧化物退化有關(guān)的分析，因?yàn)闁艠O氧化物上熱量的逐漸增加可能會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)電路徑的產(chǎn)生，從而導(dǎo)致漏電流。其他研究表明，已經(jīng)進(jìn)行了功率循環(huán)測(cè)試，以識(shí)別由于高溫操作和高溫?cái)[幅而可能導(dǎo)致的電氣參數(shù)或機(jī)械零件的任何劣化。

在這項(xiàng)研究中，通過有限元分析和TO247-3封裝的CAD模型（圖1（a））對(duì)1.2kV SiC MOSFET進(jìn)行了分析，并進(jìn)行了非常有壓力的實(shí)驗(yàn)性短路測(cè)試。

該分析的目的是評(píng)估施加到鍵合線上的熱機(jī)械應(yīng)力。從實(shí)驗(yàn)測(cè)試中，我們已經(jīng)觀察到環(huán)氧模塑復(fù)合樹脂和硅凝膠會(huì)影響短路能量和耐受時(shí)間，并且突出顯示了用硅凝膠代替樹脂時(shí)樹脂的略微減少。

著眼于鍵合線的熱機(jī)械模擬，我們發(fā)現(xiàn)模制封裝的樣品與灌封凝膠的樣品之間的差異之一是由于各種材料的不同熱機(jī)械性能，施加在導(dǎo)線上的臨界應(yīng)力。由于這些應(yīng)力，凝膠成型模型中鍵合線的總變形相對(duì)于成型模型增加了一倍，圖1（b）。

圖1（a）用于熱機(jī)械模擬的幾何形狀，（b）使用灌封凝膠封裝的源鍵合引線變形。

編輯：hfy