柔性直流輸電系統(tǒng)（Voltage Source Converter- High Voltage Direct Current, VSC-HVDC）因其具有自關(guān)斷、控制靈活以及故障后恢復(fù)能力強等優(yōu)點，逐漸成為下一代直流輸電系統(tǒng)的主流。作為柔性直流輸電系統(tǒng)的最為關(guān)鍵的組件——IGBT器件，其可靠性的高低，對柔性直流輸電系統(tǒng)的可靠性有著直接影響。壓接封裝結(jié)構(gòu)的IGBT器件因其克服了傳統(tǒng)焊接式IGBT模塊單面散熱、鍵合線易脫落和焊層易開裂等缺點，正逐步應(yīng)用在柔性直流輸電等大功率領(lǐng)域。
壓接型IGBT器件各組件是直接利用螺栓和碟簧剛性壓接在一起的，所以在正常工作期間器件會同時承受巨大的固定壓力和循環(huán)熱應(yīng)力。對于應(yīng)用在換流閥中的壓接型IGBT器件來說，往往需要其在高應(yīng)力環(huán)境中能有十幾年到幾十年的工作壽命。
功率循環(huán)試驗是通過半導(dǎo)體器件自身循環(huán)開通和關(guān)斷電流，利用電流熱效應(yīng)在器件內(nèi)部產(chǎn)生周期性溫度梯度的變化，來模擬器件所經(jīng)歷的工況，是對器件壽命進行考核最為常用的、也是最為接近真實工況的試驗。但真實的功率循環(huán)試驗系統(tǒng)復(fù)雜、試驗周期長，則可以首先利用有限元仿真軟件來對壓接型IGBT器件進行功率循環(huán)仿真模擬，仿真獲得的參數(shù)設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)以及模擬試驗結(jié)果也可為后續(xù)真實的功率循環(huán)試驗提供參考。
壓接型IGBT器件是一種新型封裝器件，國內(nèi)對其可靠性研究還處于起步階段，而國外各大學(xué)和研究機構(gòu)對其可靠性的研究也十分有限。R. Schlegel等對彈簧式壓接型IGBT器件進行了耐濕實驗和功率循環(huán)實驗，并對單個芯片的短路失效模式進行了研究，但ABB公司已持有這種彈簧式的壓接封裝形式的專利并受到保護。
F. Wakeman等對壓接型IGBT器件進行了功率循環(huán)試驗，發(fā)現(xiàn)芯片發(fā)射極表面出現(xiàn)了表面金屬化現(xiàn)象，但沒有進一步解釋芯片失效的原因。M. Ciappa等分析總結(jié)了九種IGBT模塊的失效模式，對壓接型IGBT器件失效模式的研究具有指導(dǎo)意義。
C. Busca等總結(jié)了IGBT的失效機理、各種半導(dǎo)體模塊的壽命模型以及任務(wù)曲線和加速壽命試驗的概念，為選擇壓接型IGBT器件壽命預(yù)測模型并進行疲勞壽命預(yù)測提供了參考。查閱有關(guān)資料，未發(fā)現(xiàn)有對壓接型IGBT器件進行功率循環(huán)仿真模擬以及進行疲勞壽命預(yù)測研究的文獻。
鑒于上述說明及研究現(xiàn)狀的不足，本文針對壓接型IGBT器件建立了單芯片子模組模型，進行了功率循環(huán)仿真模擬，研究了影響壽命的薄弱環(huán)節(jié)。考慮到現(xiàn)階段有關(guān)壓接型IGBT器件壽命預(yù)測的研究還是空白，本文提出了適用于壓接型IGBT器件中的疲勞壽命預(yù)測方法，獲得了三種仿真試驗條件下的芯片壽命。最后，提出了壓接型IGBT器件的“壓力失效”模式，并對壓接型IGBT器件的疲勞失效機理進行了初步解釋。
圖1 凸臺式壓接型IGBT器件外觀圖和內(nèi)部結(jié)構(gòu)
