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绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)是实现电能控制和转换的核心功率器件,广泛应用于电力牵引等场合,如汽车、地铁和机车等。铝(Al)金属化层是位于IGBT模块内部的薄膜材料,主要用于连接IGBT芯片以及Al键合线,实现IGBT芯片与基板电路之间的电互连。服役过程中,IGBT模块的功率损耗会随服役条件的改变而持续地变化,造成IGBT模块的结温(T_j)循环波动,使得IGBT模块内部各互连结构层反复承受热应力。Al金属化层位于热源(IGBT芯片)的表面,承受的温度较高,并且Al的热膨胀系数(25 ppm/℃)和IGBT芯片的热膨胀系数(2 ppm/℃)之间相差约12倍,巨大的热失配使得Al金属化层承受热应力的反复冲击,导致Al金属化层发生微结构(表面形貌和内部裂纹)演化,致使其电性能退化,最终导致IGBT模块发生失效,甚至引发整个应用系统故障,带来严重的经济损失。为确保服役过程中IGBT模块能够安全可靠地运行,需要研究不同服役条件对IGBT模块温度的影响,评估温度载荷下IGBT模块内部Al金属化层的应力分布规律和微结构演化机制,以及微结构演化对其电性能的影响,为优化IGBT模块的封装结构和电性能,提高IGBT模块的服役可靠性提供指导。本文搭建了IGBT模块功率循环综合测试实验平台,用于模拟服役过程中IGBT模块的运行状态。分别从主电路系统设计、水冷系统设计、驱动保护系统设计、控制系统设计和数据采集处理系统设计等几个方面着手进行实验平台的搭建,并且对实验平台的功能和可靠性进行了验证。结果表明,此功率循环实验平台可以进行电流等级为100～400 A、占空比为0.2～0.8的直流(DC)功率循环实验,以及开关频率为1～10 k Hz的脉宽调制(PWM)功率循环实验,能够满足后续实验需求。采用搭建的实验平台对IGBT模块进行功率循环实验,研究了服役条件(电流、占空比和开关频率)对IGBT模块温度的影响。结合有限元模拟方法,分析了温度循环载荷下IGBT模块各互连结构层的温度和应力分布,着重分析了Al金属化层的温度和应力分布。结果表明,当电流从200 A增加至400 A,IGBT模块的最高温度和温差迅速增大。随着占空比从0.3增加至0.7,IGBT模块的温差迅速减小。而随着开关频率从2 k Hz增加至10 k Hz,IGBT模块的最高温度增大。在IGBT模块内部的各互连结构层中Al金属化层发生了塑性变形。Al金属化层表面的塑性变形程度呈现芯片中心位置最严重,键合线跟脚附近次之,芯片边缘位置最弱的分布规律。后续实验中依据此结论重点对Al金属化层的这3个位置进行分析。实验研究了功率循环过程中IGBT模块内部Al金属化层的微结构(表面形貌和裂纹)演化。对4个IGBT模块分别进行了0次、10万次、16.4万次和19.3万次结温为80～140℃的DC功率循环实验,观测了IGBT模块内部Al金属化层的微结构。分别采用算术平均粗糙度、均方根粗糙度和平均间距等参数表征Al金属化层的表面形貌演化特征。采用几何尺寸、形状和密度等参数表征裂纹的演化特征。结果表明,不同功率循环阶段Al金属化层的微结构演化程度不同。在0至10万次循环过程中,Al金属化层的表面迅速变得粗糙。10万次至16.4万次循环过程中,Al金属化层的表面粗糙和裂纹相伴而生。在16.4万次至19.3万次循环过程中,裂纹迅速地向Al金属化层的内部扩展。确定了功率循环实验中Al金属化层的表面形貌演化机制为位错滑移。借助Voronoi算法在ABAQUS中建立了Al金属化层三维多晶几何模型,采用晶体塑性有限元定量模拟了一定温度循环周期内Al金属化层的表面形貌演化规律,分析了Al金属化层内部的晶粒几何结构(晶粒平均直径、晶粒形状)对其应变和表面形貌演化的影响,并且结合实验现象,推测了实验前期Al金属化层表面形貌的演化规律。结果表明,在0至10万次循环过程中,Al金属化层内晶粒直径基本未变化,位错滑移导致Al金属化层均方根粗糙度的迅速增加。在10万次至16.4万次循环过程中,晶粒之间的相互融合导致Al金属化层的平均间距迅速增长,均方根粗糙度的增长缓慢。研究了Al金属化层的微结构演化对其电性能退化的影响。采用四探针电阻测试法对0次、10万次、16.4万次和19.3万次功率循环下,IGBT模块内部Al金属化层的电阻进行测试。基于之前实验观测的Al金属化层的微结构演化程度,建立了多组含有不同粗糙度和裂纹几何尺寸的Al金属化层三维几何模型,获得了不同粗糙度和裂纹几何尺寸下Al金属化层的电阻和电流密度。结果表明,Al金属化层的均方根粗糙度增加,会使得电流流通路径增大,进而导致其电阻增加。而平均间距增加,会使电流流通路径减小,进而使Al金属化层的电阻减小。此外,裂纹几何尺寸对Al金属化层的电性能有不同程度的影响。裂纹深度对Al金属化层电阻的影响最大,裂纹宽度次之,裂纹长度最弱。裂纹长度和深度增加均会导致Al金属化层的局部电流密度聚集,裂纹宽度增加,则使电流密度减缓。