SiC MOSFET 短路測(cè)試下的引線鍵合應(yīng)力分析

電力電子技術(shù)在日常生活中越來越普遍，尤其是現(xiàn)在，當(dāng)我們正經(jīng)歷一場(chǎng)由寬帶隙 (WBG) 材料引發(fā)的革命時(shí)。

WBG 材料在 SiC MOSFET 和 GaN HEMT 等新型功率半導(dǎo)體器件的開發(fā)中的應(yīng)用打破了傳統(tǒng)硅技術(shù)確立的規(guī)則和概念，現(xiàn)在允許實(shí)施具有更高功率密度和效率的功率轉(zhuǎn)換器，相比之下到等效的硅器件。

此外，隨著轉(zhuǎn)換器尺寸的減小和功率密度的攀升，封裝解決方案也在不斷發(fā)展和更新。設(shè)計(jì)可靠和安全的轉(zhuǎn)換器，包括芯片之間的連接和絕緣材料的選擇，具有挑戰(zhàn)性。

除了提供緊湊高效的解決方案之外，WBG 材料還需要滿足異常或臨界工作條件（例如短路和極端溫度操作）的安全要求。例如，SiC MOSFET 需要安全地吸收短路事件期間涉及的大量能量，因?yàn)榭梢栽谄骷?a target="_blank">端子上同時(shí)施加高電壓和高電流值。這些情況也可能產(chǎn)生大的熱波動(dòng)。

需要考慮在功率轉(zhuǎn)換器的壽命內(nèi)發(fā)生此類事件的可能性及其后果，這引起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)，介紹了與SiC MOSFET柵極氧化物退化相關(guān)的分析，因?yàn)闁艠O氧化物處熱量的逐漸增加可能會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生漏電流的導(dǎo)電路徑。其他研究表明，已經(jīng)進(jìn)行了功率循環(huán)試驗(yàn)，以確定由于高溫操作和高溫?cái)[動(dòng)可能發(fā)生的電氣參數(shù)或機(jī)械部件的任何退化。

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)行了非常緊張的實(shí)驗(yàn)性短路測(cè)試。

該分析的目的是評(píng)估施加到鍵合線的熱機(jī)械應(yīng)力。從實(shí)驗(yàn)測(cè)試中，我們觀察到環(huán)氧模塑料樹脂和硅凝膠會(huì)影響短路能量和耐受時(shí)間，并且突出顯示當(dāng)樹脂被硅凝膠替代時(shí)略有降低。

專注于鍵合線的熱機(jī)械模擬，我們已經(jīng)看到模塑封裝樣品和灌封凝膠樣品之間的差異之一是由于各種材料的不同熱機(jī)械行為而施加在引線上的臨界應(yīng)力。由于這些應(yīng)力，凝膠涂層模型中鍵合線的總變形是模制模型的兩倍，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極鍵合線的變形。

審核編輯 黃昊宇