上海潔凈室精密設(shè)備搬移|半導(dǎo)體SMT設(shè)備搬運(yùn)|半導(dǎo)體設(shè)備搬運(yùn)移位定位
2023-01-10
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亞瑟半導(dǎo)體設(shè)備安裝（上海）有限公司
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上海潔凈室精密設(shè)備搬移|半導(dǎo)體SMT設(shè)備搬運(yùn)|半導(dǎo)體設(shè)備搬運(yùn)移位定位的亞瑟報(bào)道：絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）器件內(nèi)部通過并聯(lián)大量芯片保證其關(guān)斷能力，當(dāng)并聯(lián)芯片的參數(shù)分散性較大時(shí)，器件的關(guān)斷能力會(huì)不可避免的退化。因而，研究 IGBT 器件關(guān)斷能力提升的參數(shù)篩選方法非常重要。為此，本文首先分析了并聯(lián)兩 IGBT 芯片關(guān)斷失效的特征及關(guān)鍵的影響因素，并半導(dǎo)體設(shè)備搬運(yùn)給出了并聯(lián) IGBT 芯片動(dòng)態(tài)閂鎖失效的電壓電流波形。波形表明，關(guān)斷重分配的電流不均令并聯(lián)芯片在關(guān)斷時(shí)承受不同應(yīng)力，從而導(dǎo)致 IGBT 器件的關(guān)斷能力退化。此外，上述過程受芯片閾值電壓，轉(zhuǎn)移特性曲線等諸多參數(shù)影響，因此需要通過多參數(shù)篩選以提升器件的關(guān)斷能力。所以，本文總結(jié)了 300 組芯片并聯(lián)關(guān)斷的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，研究了并聯(lián)芯片參數(shù)差異與關(guān)斷均流的關(guān)系，并提出聯(lián)芯片的關(guān)斷均流的參數(shù)篩選方法，從而提升器件的關(guān)斷能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過篩選柵極閾值電壓、轉(zhuǎn)移特性曲線以及等效跨導(dǎo)可以有效保證芯片在 1.8 倍額定電流下的關(guān)斷電流差峰值小于 10%，驗(yàn)證了所提方法的有效性。半導(dǎo)體設(shè)備搬運(yùn)絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）器件作為全控型電壓驅(qū)動(dòng)的電力電子器件，已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于軌道交通、航空航天和電力系統(tǒng)等諸多領(lǐng)域。作為能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵設(shè)備，IGBT 器件的失效問題及其失效特征一直是器件研究半導(dǎo)體設(shè)備搬運(yùn)尤其是 IGBT 器件的感性負(fù)載關(guān)斷失效，其失效工況接近于器件實(shí)際運(yùn)行工況，近 20 年，已有諸多機(jī)構(gòu)和學(xué)者對其開展了廣泛而深入的研究。與此同時(shí)，考慮到單顆 IGBT 芯片的通流能力有限，在工程實(shí)際中，往往將多顆 IGBT芯片或 IGBT 子模組并聯(lián)成器件使用。但是，由于并聯(lián) IGBT 芯片間封裝參數(shù)、芯片參數(shù)等不同，并聯(lián)芯片間理想的均流是難以實(shí)現(xiàn)的。這會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致并 IGBT 器件的關(guān)斷能力退化，嚴(yán)重危害器件的安全穩(wěn)定運(yùn)行。
目前，針對 IGBT 器件的感性負(fù)載關(guān)斷失效的研究已被廣泛開展。1998 年，美國伊利諾伊大學(xué)的M. Trivedi 等通過半導(dǎo)體數(shù)值仿真研究了感性負(fù)載下 IGBT 芯片的關(guān)斷失效。1999，M. Trivedi 等半導(dǎo)體設(shè)備搬運(yùn)對比了短路工況關(guān)斷和感性負(fù)載關(guān)斷時(shí) IGBT元胞內(nèi)部的電熱分布規(guī)律。研究表明，感性負(fù)載關(guān)斷失效的機(jī)理不同于短路關(guān)斷失效，因此，在芯片的優(yōu)化方法上也應(yīng)加以區(qū)別。之后，巴塞羅那微電子研究中心的 X. Perpina 等人研究了焊接型IGBT 器件的關(guān)斷失效特征。通過半導(dǎo)體數(shù)值仿真，X. Perpina 等人半導(dǎo)體設(shè)備搬運(yùn)發(fā)現(xiàn)了 IGBT 芯片在感性負(fù)載條件下關(guān)斷失效的兩種失效機(jī)理，分別是動(dòng)態(tài)閂鎖失效以及二次擊穿失效。其中，動(dòng)態(tài)閂鎖失效的特征為柵極附近的電流聚集，而二次擊穿失效則在 P 阱/N 漂移區(qū)結(jié)中有明顯溫度升高。加入IGBT交流群，加微信：tuoke08。綜上所述，現(xiàn)有研究主要關(guān)注關(guān)斷時(shí) IGBT 元胞內(nèi)部的電熱物理場分布情況。而由于器件內(nèi)部芯片電流的測量手段有限，目前尚未見對器件失效時(shí)芯片間的相互作用的報(bào)道。因此，IGBT 器件的關(guān)斷失效與其并聯(lián)芯片關(guān)斷均流間的關(guān)系仍需進(jìn)一步的研究半導(dǎo)體設(shè)備搬運(yùn)雖被較少的關(guān)注與研究，并聯(lián) IGBT 芯片的關(guān)斷均流對 IGBT 器件的關(guān)斷能力影響也很大。2007年，阿爾斯通公式與蘇黎世聯(lián)邦理工大學(xué)的 A.Castellazzi 合作，研究了其公司 3.3 kV/1200 A 焊接型器件的關(guān)斷動(dòng)態(tài)閂鎖失效。研究表明，器件內(nèi)并聯(lián) IGBT 芯片的支路寄生電感不同，會(huì)導(dǎo)致并聯(lián)芯片運(yùn)行過程中出現(xiàn)電流不均，進(jìn)而導(dǎo)致 IGBT器件的關(guān)斷能力退化。2022 年，華北電力大學(xué)的彭程等人自主研制了壓接型 IGBT 芯片并聯(lián)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。改平臺(tái)通過兩獨(dú)立的壓力夾具，實(shí)現(xiàn)了壓力-寄生電感-溫度影響因素的解耦。并通過控制變量，綜合研究分析了影響 IGBT 芯片并聯(lián)均流的外部影響因素。不僅寄生參數(shù)對器件的均流影響很大，IGBT芯片的參數(shù)分散性與并聯(lián)均流的關(guān)系也十分重要。1996 年，塞米控公司的 C. Wong 等通過統(tǒng)計(jì)的方法研究了 IGBT 芯片通態(tài)管壓降的分散性與芯片結(jié)溫的關(guān)系。之后，德國西門子公司的 J. Weigel 等通過實(shí)驗(yàn)研究對比了不同動(dòng)靜態(tài)參數(shù)的 IGBT 器件并聯(lián)后的動(dòng)態(tài)特性，但其實(shí)驗(yàn)對比組數(shù)較少。2018 年，德國羅斯托克大學(xué)的 R. Schrader 等人通過半導(dǎo)體數(shù)值仿真研究表明，并聯(lián)芯片關(guān)斷時(shí)的重分配過程是由于并聯(lián)芯片的電流下降率不同導(dǎo)致的。仿真展示了芯片關(guān)斷延遲時(shí)間差異和芯片關(guān)斷電流差峰值的強(qiáng)相關(guān)性和統(tǒng)計(jì)特性。因此，R.Schrader 等人提出通過篩選芯片的關(guān)斷延遲時(shí)間保證并聯(lián) IGBT 芯片的關(guān)斷均流。雖然芯片參數(shù)分散性與芯片并聯(lián)均流的研究已被廣泛開展，但是多是通過半導(dǎo)體設(shè)備搬運(yùn)段，與實(shí)際工況中情況仍存在差異。同時(shí)，影響芯片關(guān)斷過程的參數(shù)眾多，且參數(shù)分散性存在統(tǒng)計(jì)規(guī)律，只有通過大量實(shí)驗(yàn)研究，才能有效得到芯片參數(shù)篩選方法半導(dǎo)體設(shè)備搬運(yùn)根據(jù)目前研究可知，IGBT 芯片以及器件的關(guān)斷失效的問題已經(jīng)被廣泛關(guān)注。但是，目前研究多聚焦于 IGBT 元胞內(nèi)部的電熱特性。對 IGBT 器件關(guān)斷失效和器件內(nèi)并聯(lián)均流的關(guān)系仍需進(jìn)一步研究。同時(shí)，由于我國國產(chǎn) IGBT 器件的起步較晚，工藝的穩(wěn)定性亟待加強(qiáng)，芯片分散性較國外廠商仍較大。所以，通過實(shí)驗(yàn)研究并聯(lián) IGBT 芯片關(guān)斷能力提升的參數(shù)篩選方法是十分重要的。半導(dǎo)體設(shè)備搬運(yùn)為此，本文首先研究了兩并聯(lián) IGBT 芯片的關(guān)斷失效，掌握了 IGBT 器件動(dòng)態(tài)閂鎖失效與器件內(nèi)IGBT 芯片并聯(lián)均流的關(guān)系。在文中半導(dǎo)體設(shè)備搬運(yùn)給出了并聯(lián)芯片動(dòng)態(tài)閂鎖失效的電壓電流波形。而后，通過總結(jié) 300 組并聯(lián) IGBT 芯片的關(guān)斷實(shí)驗(yàn)結(jié)果，總結(jié)得到了 IGBT 芯片關(guān)斷均流的關(guān)鍵參數(shù)，并提出了對應(yīng)的關(guān)斷均流參數(shù)篩選方法。最后，文章驗(yàn)證了所提篩選方法的有效性，從而通過保證芯片的關(guān)斷均流提升了 IGBT 器件的關(guān)斷能力。
