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热界面是提升IGBT使用寿命的关键因素

不断增长的IGBT使用寿命需求是未来发展的趋势,对于电动交通或可再生能源IGBT变流器设备等应用尤为如此。而功率密度需求同样不断增长,因而导致相互矛盾的效应。功率器件的功率密度越高,其温度水平越高,而IGBT温度越高,其承受的应力越高:从而会缩短其使用寿命。虽然电力电子元件的新研发目标在于延长使用寿命,但要充分利用这些现代设备,热管理变得越来越重要。
理论基础
以下两项理论基础适用于所有电力电子应用中的半导体元件.
    ·开关损耗和正向导通损耗导致温度升高
    ·由主动热循环和被动热循环形成的温度波动,会对元件形成应力进而限制其使用寿命
功率循环效应在几秒内完成,而热循环效应周期更长。尽管两种效应触发的失效机理不同,但两者都是以引起的温度波动和达到的最高温度为特征的。对于某项具体设计,根据精确的负荷曲线,可准确预测其使用寿命。对负载电流运行周期、冷却条件和功率半导体本身的详细了解是准确计算设备温度及温度波动的必要条件,只有这样才能可靠地预知其使用寿命。
简易热模型
图1.所示简易模型有助于根据负荷曲线评估给定电力电子元件的热性能。
该模型包含两个热源,即IGBT和二极管芯片。它们一起作为损耗源,通过热阻链路将功耗传送至周围环境。若知道热阻精确值则可根据相关数值计算结温
模块内位于底板上方的内部结构是影响热传导的主因,因而决定模块的热性能。图1中黄色方框部分表示从模块外壳至散热片的热传送途径RthCh。在仿真和计算中,该值常被误作为技术手册中导热硅脂的数值,它由导热硅脂的体电导率和层厚度来定义。然而,实验结果证明,这是一种错误的方法。
要实现可靠、可复制且长期稳定的高性能热传导路径,这是一种挑战。因此,英飞凌决定研发一种专用的热界面材料,并将其应用至功率模块。这样,设计者可利用已确定的热工工况,消除热管理中的大部分不确定因素。
评估热工工况
目前工业领域使用的功率变换器使用寿命设计为至少10年或80,000个工作时。在风车应用中,其使用寿命被考虑设计为20年。在机车牵引和汽车应用中,对使用寿命的要求甚至更高。在这些领域中只因热界面故障而现场维修变换器,成本非常高,因而不到迫不得已不作此选择。因此,需要电力电子专用的热界面材料来解决这类问题。
在研发新热界面材料(TIM)、尤其是电力电子设备专用热界面材料时,我们针对运行中因超过结温温度范围而损坏的功率模块进行了退料分析。还重点分析了使用何种热界面材料。然而,对热界面材料失效机理的首次研究却无果而终。结果表明,要在短期测试中获得可靠信息并非易事。因此,我们对一套样本进行整套可靠性测试,这套样本由用新热界面材料(TIM)安装在不同的在售散热器上的功率模境组成。所做的环境测包括:
    ·高温反向阻断(HTRB)测试:
    将被测设备置于85℃环境中并对其施加反向电压。泄露电流的变化可用于确定设备的损坏程度。
    ·H3TRB测试,采用湿度>85%、温度>85℃并施加反向电压
    ·H2S,腐蚀性气体测试(闷热环境下)
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