IGBT (절연 게이트 바이폴라 트랜지스터) 모듈은 현대 전력 전자 장치의 중요한 구성 요소로, 산업 드라이브, 재생 가능 에너지 시스템 및 전기 자동차와 같은 다양한 응용 분야에서 널리 사용됩니다. IGBT 모듈의 공급 업체로서 이러한 모듈의 노화 메커니즘을 이해하는 것이 가장 중요합니다. 이 지식은 고객에게 더 나은 제품을 제공하는 데 도움이 될뿐만 아니라보다 효과적인 기술 지원 및 유지 보수 조언을 제공 할 수 있습니다.
IGBT 모듈의 물리적 구조 및 기본 작업 원리
노화 메커니즘을 탐구하기 전에 IGBT 모듈의 물리적 구조와 기본 작동 원리를 이해해야합니다. IGBT 모듈은 일반적으로 여러 IGBT 칩, 프리 휠링 다이오드 및 포장 구조로 구성됩니다. IGBT 칩은 MOSFETS (금속 - 산화물 - 반도체 필드 - 효과 트랜지스터)와 양극성 접합 트랜지스터 (BJT)의 장점을 결합합니다. BJT와 같은 저항 전도 상태와 MOSFET과 같은 전압 제어 게이트가 있습니다.
양의 전압이 IGBT의 게이트에 적용되면, GATE 산화물 아래의 p- 타입 영역에 반전 층을 생성하여 전자가 N+ 이미 터에서 N- 드리프트 영역으로 흐를 수있게한다. 동시에, 구멍은 P+ 수집기에서 N- 드리프트 영역으로 주입되어 드리프트 영역의 저항을 크게 줄이고 IGBT가 큰 전류를 수행 할 수있게한다. 게이트 전압이 제거되면 반전 층이 사라지고 IGBT가 꺼집니다.
IGBT 모듈의 노화에 영향을 미치는 요인
열 응력
IGBT 모듈의 노화에 기여하는 가장 중요한 요소 중 하나는 열 응력입니다. 작동 중에 IGBT 칩은 전도 손실 및 전환 손실을 포함하여 전력 손실로 인해 열을 발생시킵니다. 모듈의 열 소산 성능은 포장 재료 및 냉각 시스템에 의해 제한됩니다.
반복 된 열 사이클링은 열 팽창 계수 (CTE)로 인해 모듈 내의 다른 재료가 다른 속도로 확장되고 수축되게합니다. 예를 들어, 실리콘 칩은 비교적 낮은 CTE를 가지며 구리 기판은 CTE가 더 높습니다. CTE에서 이러한 불일치는 본드 와이어, 솔더 조인트 및 칩 - 기판 인터페이스와 같은 다른 재료 사이의 인터페이스에서 기계적 응력을 초래합니다.
시간이 지남에 따라 이러한 기계적 응력은 솔더 조인트와 본드 와이어에서 피로 균열을 일으킬 수 있습니다. 솔더 조인트의 균열은 칩과 기판 사이의 열 저항을 증가시켜 칩의 온도 상승을 추가로 악화시킵니다. 본드 와이어의 균열은 전기 저항을 증가시켜 전력 손실이 높아지고 온도가 추가로 증가 할 수 있습니다. 결국, 이러한 균열은 열린 회로 고장을 유발하여 모듈을 작동 할 수 없게 만듭니다.
전기 스트레스
전기 응력은 또한 IGBT 모듈의 노화에 중요한 역할을합니다. 스위칭 작업 중 고전압 스파이크는 산화 게이트의 유전체 파괴를 유발할 수 있습니다. 게이트 산화물은 게이트 전극을 반도체 채널로부터 분리하는 단열 재료의 얇은 층이다. 게이트 산화 전압이 파괴 전압을 초과하면, GATE 산화물에 영구적 인 손상을 일으켜 IGBT의 임계 값 전압이 변화하고 잠재적으로 장치가 오작동을 일으킬 수 있습니다.
또한, 높은 전류 서지는 IGBT 칩과 본드 와이어의 가열을 초과 할 수 있습니다. 과도한 전류는 본드 와이어의 녹거나 심지어 칩의 열 런 어웨이로 이어져 치명적인 고장을 초래할 수 있습니다.
환경 적 요인
습도, 온도 및 오염과 같은 환경 적 요인은 또한 IGBT 모듈의 노화를 가속화 할 수 있습니다. 습도가 높으면 모듈 내의 금속 부품 (예 : 본드 와이어 및 리드)이 부식을 일으킬 수 있습니다. 부식은 이러한 구성 요소의 기계적 강도를 약화시키고 전기 저항을 증가시켜 조기 고장으로 이어질 수 있습니다.
높고 낮은 극한 온도는 IGBT 모듈의 성능에 부정적인 영향을 줄 수 있습니다. 저온에서는 반도체 재료의 전기적 특성이 변할 수있어 IGBT의 스위칭 특성에 영향을 미칩니다. 고온에서는 모듈 내의 화학 반응이 가속화되어 포장 재료와 반도체 칩이 저하 될 수 있습니다.
먼지, 먼지 및 화학 물질과 같은 오염은 모듈 표면에 축적 될 수 있습니다. 이 오염은 열 절연체 역할을하여 모듈의 열 소산 효율을 줄일 수 있습니다. 또한 다른 구성 요소간에 전기 누출을 일으켜 전기 고장을 초래할 수 있습니다.
노화 현상 및 실패 모드
본드 와이어 리프트 - OFF
앞에서 언급했듯이 열 응력은 본드 와이어에서 피로 균열을 일으킬 수 있습니다. 시간이 지남에 따라, 이러한 균열은 칩이나 기판에서 본드 와이어가 들어 올릴 때까지 전파 될 수 있습니다. 본드 와이어 리프트 - 오프 오프 회로 조건이 발생하여 전류가 IGBT를 통해 흐르지 않아 모듈이 실패합니다.
솔더 조인트 균열
솔더 조인트는 IGBT 칩을 기판에 연결하고 기판을 방열판에 연결하는 데 사용됩니다. 반복 된 열 사이클링은 솔더 조인트가 기계적 응력을 경험하게하여 균열의 형성으로 이어질 수 있습니다. 솔더 조인트의 균열은 칩과 방열판 사이의 열 저항을 증가시켜 칩 온도가 상승합니다. 온도가 상승함에 따라 저하 공정이 가속화되고 결국 솔더 관절이 완전히 실패하여 전기 및 열 연결이 손실됩니다.
게이트 산화물 분해
GATE 산화물 분해는 주로 전기 응력에 의해 발생합니다. 고전압 스파이크는 GATE 산화물 층에 결함이 발생하여 IGBT의 전기적 특성을 변경할 수 있습니다. 예를 들어, IGBT의 임계 값 전압이 증가 할 수 있으므로 장치를 켜려면 더 높은 게이트 전압이 필요합니다. 심한 경우, 게이트 산화물이 완전히 분해되어 게이트와 다른 전극 사이의 짧은 회로가 발생할 수 있습니다.
IGBT 모듈 노화의 탐지 및 모니터링
IGBT 모듈의 신뢰할 수있는 작동을 보장하려면 노화 상태를 감지하고 모니터링해야합니다. 이 목적을 위해 사용할 수있는 몇 가지 방법이 있습니다.
온도 모니터링
IGBT 칩의 온도를 모니터링하는 것은 노화의 초기 징후를 감지하는 효과적인 방법입니다. 칩 온도의 증가는 솔더 조인트 균열 또는 본드 와이어 리프트로 인한 열 저항의 증가를 나타낼 수 있습니다. 온도 센서는 칩 근처 또는 기판에 배치하여 온도를 측정 할 수 있습니다.
전기 매개 변수 모니터링
수집기 - 이미 터 전압, 게이트 - 소스 전압 및 전류와 같은 전기 매개 변수 모니터링은 IGBT 모듈의 노화 상태에 대한 정보를 제공 할 수 있습니다. 예를 들어, 전도 중 수집기 - 이미 터 전압의 증가는 ON- 상태 저항의 증가를 나타낼 수 있으며, 이는 본드 와이어 리프트로 인해 발생할 수 있습니다. OFF 또는 솔더 관절 분해.
음향 방출 감지
음향 방출 검출은 IGBT 모듈 내에서 균열의 형성 및 전파를 감지 할 수있는 비 - 파괴적인 테스트 방법입니다. 균열이 형성되거나 전파되면 음향 센서에 의해 감지 될 수있는 음향 파를 생성합니다. 이 방법은 모듈에 심각한 손상을 일으키기 전에 초기 단계 균열을 감지 할 수 있습니다.
IGBT 모듈 노화를위한 완화 전략
열 관리 개선
열 응력을 줄이려면 IGBT 모듈의 열 관리를 개선해야합니다. 액체 - 냉각 방열판 또는 열 파이프와 같은 고성능 냉각 시스템을 사용하여 달성 할 수 있습니다. 또한 열전도율이 향상되고 CTE에서 더 밀접하게 일치하는 포장 재료를 선택하면 열 저항 및 기계적 응력을 줄이는 데 도움이됩니다.
최적화 된 전기 설계
전기 설계를 최적화하면 IGBT 모듈의 전기 응력이 줄어들 수 있습니다. 예를 들어, Snubber 회로를 사용하면 스위칭 작업 중에 높은 전압 스파이크를 억제하여 GATE 산화물이 파괴되지 않도록 보호 할 수 있습니다. IGBT 모듈의 적절한 크기와 전원 공급 장치는 높은 전류 서지를 방지 할 수 있습니다.
환경 보호
환경 요인으로부터 IGBT 모듈을 보호하는 것도 중요합니다. 밀봉 된 포장을 사용하면 습도와 오염이 모듈에 들어가는 것을 방지 할 수 있습니다. 또한 지정된 온도 범위 내에서 모듈을 작동하면 노화 과정을 늦추는 데 도움이 될 수 있습니다.
결론
IGBT 모듈의 공급 업체로서, 이러한 모듈의 노화 메커니즘을 이해하는 것은 고품질 제품과 안정적인 기술 지원을 제공하는 데 필수적입니다. IGBT 모듈의 노화는 주로 열 응력, 전기 응력 및 환경 적 요인으로 인해 발생합니다. 이러한 요인들은 본드 와이어 리프트 - 오프, 솔더 조인트 균열 및 게이트 산화물 분해와 같은 다양한 노화 현상 및 고장 모드로 이어질 수 있습니다.
효과적인 탐지 및 모니터링 방법 및 완화 전략을 구현함으로써 IGBT 모듈의 서비스 수명을 확장하고 신뢰성을 향상시킬 수 있습니다. IGBT 모듈에 관심이 있거나 노화 메커니즘 및 신뢰성에 대한 자세한 정보가 필요하다면 추가 토론 및 조달 협상을 위해 문의하십시오. 우리는 또한 유도 전원 공급 장치를위한 다양한 액세서리를 제공합니다.유도 가열 커패시터,,,IGBT 모듈의 평가위원회, 그리고중간 주파수 용광로를위한 변압기.
참조
- Blaabjerg, F., Chen, Z., & Ma, K. (2006). 분산 된 발전 시스템의 효율적인 인터페이스로서의 전력 전자 장치. Power Electronics에 대한 IEEE 거래, 21 (5), 1395-1409.
- Hefner, AR, & Blackburn, JL (1995). 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터의 모델링 및 시뮬레이션. IEEE의 절차, 83 (4), 540-557.
- Liang, X., Wang, X., & Blaabjerg, F. (2017). 풍력 발전 응용 분야에서 IGBT 모듈의 파워 사이클링 신뢰성 검토. 재생 가능하고 지속 가능한 에너지 검토, 75, 1036-1047.