硅堆球面壓裝結(jié)構(gòu)的可靠性分析

陳新，王智勇，韓玉輝，李德召，許元震，劉少飛

（1.常州博瑞電力自動化設(shè)備有限公司，江蘇 常州 213025；2.南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102）

0 引言

在電力電子產(chǎn)品中，各類型半導(dǎo)體功率器件壓接成的硅堆組件得到廣泛應(yīng)用。隨著設(shè)備小型化、經(jīng)濟(jì)化發(fā)展，器件的選型裕量也越來越小[1-2]，同時常使用多個半導(dǎo)體器件串聯(lián)連接來提高電壓等級。硅堆結(jié)構(gòu)的壓裝質(zhì)量直接影響硅堆組件的性能，不良的壓裝甚至?xí)斐善骷p壞失效。其中產(chǎn)生的實(shí)際壓接力若低于器件使用要求，會造成接觸電阻和通態(tài)壓降的上升，半導(dǎo)體在大電流工況下易發(fā)生過熱燒毀等損壞。實(shí)際壓接力若高于器件要求或壓力均勻性不佳，器件局部應(yīng)力過大易造成器件極間短路故障[3]。硅堆組件的可靠運(yùn)行需要壓裝結(jié)構(gòu)為半導(dǎo)體器件提供持續(xù)穩(wěn)定且分布均勻的壓接力是行業(yè)內(nèi)的共識，也是工程技術(shù)人員不斷探索的技術(shù)方向。

對于可靠的硅堆壓裝結(jié)構(gòu)，諸多學(xué)者和廠商提出了不同的結(jié)構(gòu)形式以適用不同設(shè)備工況[4-8]。本文基于一種放電回路中硅堆組件，分析壓接力偏移造成晶閘管失效原因，并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。通過對比優(yōu)化前后兩種硅堆壓裝結(jié)構(gòu)，分析較優(yōu)結(jié)構(gòu)對壓裝均勻性的改善效果，并對此種球面壓裝結(jié)構(gòu)可靠性進(jìn)行探究。通過有限元仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和電氣可靠性，為后續(xù)產(chǎn)品硅堆的壓接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

1 結(jié)構(gòu)簡述

在某電力電子設(shè)備開發(fā)過程中，在對多臺設(shè)備進(jìn)行壽命試驗(yàn)時發(fā)現(xiàn)一例半導(dǎo)體組合式硅堆觸發(fā)失效情況，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 硅堆壓裝結(jié)構(gòu)示意圖

硅堆由多個半導(dǎo)體器件組合壓裝，消除了器件之間的冗余連線，使結(jié)構(gòu)更加緊湊。壓接力通過左右2個壓裝板和預(yù)緊后的4個螺釘傳遞到碟簧，引起碟簧形變并保持壓接力，為半導(dǎo)體器件接觸提供壓接力。其中的失效的晶閘管與壓接式IGBT器件不同，后者器件內(nèi)部含有單獨(dú)碟簧結(jié)構(gòu)可有效改善壓接力均勻性[9]，前者為剛性接觸連接，需要外部提供較好的壓接質(zhì)量才可保證使用性能，對壓裝結(jié)構(gòu)提出較高的要求。

該硅堆結(jié)構(gòu)中凸板與凹板中的一面形成相互配合的圓弧接觸表面，起到壓接力對中和調(diào)平作用，最終使得晶閘管接觸表面壓力分布盡量均勻。但由于其曲率較小，在零件摩擦力影響下，裝配人員需要一定裝配技能，否則會由于弧面結(jié)構(gòu)自調(diào)平作用有限，產(chǎn)生壓接力發(fā)生偏移的問題，對半導(dǎo)體器件造成壓力分布不均勻的情況。

為了排查硅堆問題原因，對該例器件使用顯微鏡觀察失效情況，發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體器件邊緣薄弱部位局部出現(xiàn)細(xì)小裂紋（如圖2），造成整體晶閘管元件電壓擊穿，分析為壓接力不均勻、局部壓接應(yīng)力較大造成。

圖2 顯微鏡下晶閘管內(nèi)部裂紋

2 優(yōu)化方案描述

對弧面結(jié)構(gòu)開展受力分析，弧面結(jié)構(gòu)在壓裝過程中受力還未完成對中時，忽略重力受力分析，可將碟簧提供的壓力F分解為自對中力F1和壓接力F2，F(xiàn)2與支撐力N平衡，F(xiàn)1克服摩擦力f達(dá)到自對中效果。由此可知，圓弧曲率越高，對壓接過程中壓接力對中調(diào)平效果越有益。針對上述情況開展優(yōu)化設(shè)計(jì)，為改善壓接力分布，需要提高零件表面曲率和加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的對中調(diào)平效果。優(yōu)化后的球面壓裝結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 硅堆球面壓裝結(jié)構(gòu)示意圖

通過曲率較大的球面墊塊、鋼球和球面壓裝板零件之間配合，并將鋼球布置在結(jié)構(gòu)中心位置，實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體器件壓接力對中調(diào)平，以改善晶閘管接觸壓接力均布性。為驗(yàn)證結(jié)構(gòu)優(yōu)化效果，下面對優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行可靠性分析，并進(jìn)行樣機(jī)試制與試驗(yàn)。

圖3 球面壓接力分析

3 可靠性分析與驗(yàn)證

3.1 壓裝結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真

壓裝結(jié)構(gòu)具有良好強(qiáng)度是為硅堆提供持續(xù)穩(wěn)定的壓接力的重要條件[10-14]。對上述2種壓裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元靜力學(xué)仿真。通過ANSYS仿真軟件對硅堆壓裝結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和變形進(jìn)行校核。根據(jù)半導(dǎo)體器件壓接實(shí)際工況，建立有限元仿真約束條件。仿真中固定壓裝板，通過碟簧施加半導(dǎo)體器件所需壓接力10 kN載荷。半導(dǎo)體器件之間設(shè)定為摩擦接觸，其他壓接結(jié)構(gòu)件之間設(shè)定為綁定接觸。

根據(jù)實(shí)際情況施加材料特性、載荷和約束條件，最終應(yīng)力應(yīng)變仿真結(jié)果如圖5～圖8所示（云圖為剖視圖）。

圖5 結(jié)構(gòu)優(yōu)化前壓裝零件應(yīng)力

圖6 結(jié)構(gòu)優(yōu)化前壓裝零件應(yīng)變

圖7 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后壓裝零件應(yīng)力

圖8 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后壓裝零件應(yīng)變

仿真計(jì)算結(jié)果表明：優(yōu)化前后兩種結(jié)構(gòu)最大變形量分別為0.03、0.02 mm，對應(yīng)最大應(yīng)力為137、121 MPa，出現(xiàn)位置分別在壓裝板、鋼球上，其材質(zhì)均為45鋼，屈服強(qiáng)度為355 MPa。同時核實(shí)壓裝結(jié)構(gòu)其他各個零件力學(xué)強(qiáng)度，優(yōu)化前后的硅堆結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度上均滿足壓裝要求。

3.2 壓接力均布性驗(yàn)證

從文獻(xiàn)資料和產(chǎn)品長期應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)中可知，壓裝結(jié)構(gòu)直接影響半導(dǎo)體器件表面壓力分布狀態(tài)[14-18]。可根據(jù)壓力試紙顯色的深淺判斷器件表面的壓力分布情況。對上述兩種硅堆結(jié)構(gòu)，在晶閘管接觸表面添加專用壓力試紙來記錄器件表面壓力分布情況。

優(yōu)化前硅堆結(jié)構(gòu)壓接力效果如圖10所示，壓力試紙上存在明顯顯色區(qū)域缺失，出現(xiàn)了壓接力向器件邊緣偏移的未對中狀態(tài)。這使得晶閘管承壓后部分接觸面上壓力不足，部分受力較大，無法為半導(dǎo)體器件工作形成良好的電接觸環(huán)境，在接合過程中容易產(chǎn)生器件工作失效情況。

優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)試紙顯色明顯完整，在接觸面上顯色均勻。表明該種球面壓裝結(jié)構(gòu)壓力傳遞更佳，在半導(dǎo)體器件上形成了均勻分布的壓接力，可充分發(fā)揮器件的電氣性能。從以上結(jié)果可知，兩種結(jié)構(gòu)在壓接力均布性能上，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)更佳，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)優(yōu)化意圖。

圖9 兩種硅堆結(jié)構(gòu)試品

圖10 優(yōu)化前器件表面壓力分布情況

圖11 優(yōu)化后器件表面壓力分布情況

3.3 電氣試驗(yàn)

根據(jù)硅堆實(shí)際工況，搭建硅堆電氣試驗(yàn)系統(tǒng)。對該種球面壓裝硅堆進(jìn)行電氣壽命試驗(yàn)。該硅堆在產(chǎn)品中起到控制電容放電，在回路中形成瞬態(tài)脈沖電流的作用，試驗(yàn)電路如圖12所示。試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括直流充電電源、充電開關(guān)、電容器組、電抗器、硅堆組件試品。

圖12 硅堆組件電氣試驗(yàn)系統(tǒng)圖

通過電流互感器檢測回路中脈沖電流波形，如圖13所示。

圖13 回路中脈沖電流波形

單個試品經(jīng)過10 000次電氣性能試驗(yàn)，50組硅堆均可可靠觸發(fā)，未出現(xiàn)失效或誤動情況，電流波形未出現(xiàn)異常，電流峰值在壽命試驗(yàn)中保持一致，表明硅堆組件滿足實(shí)際電氣性能要求。優(yōu)化后的壓裝結(jié)構(gòu)為硅堆提供了持續(xù)穩(wěn)定且可靠的壓接環(huán)境。

4 結(jié)論

1）針對一起硅堆失效問題，顯微發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體器件產(chǎn)生裂紋，闡述壓接結(jié)構(gòu)造成的壓接力偏離為其失效原因。

2）優(yōu)化設(shè)計(jì)了一種球面壓裝硅堆組件結(jié)構(gòu)，通過仿真和試驗(yàn)表明在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足壓裝性能要求前提下，采用優(yōu)化后的接觸曲率較大結(jié)構(gòu)在器件壓接力均布性上更具優(yōu)勢。分析并解決了這起壓接力偏移問題。

3）通過樣品試制和搭建試驗(yàn)系統(tǒng)證實(shí)，采用該種球面壓裝硅堆可滿足實(shí)際產(chǎn)品使用工況，具有高可靠性能和較好的工程應(yīng)用前景。隨著硅堆組件使用條件更趨多樣化，利用文中提出的分析方法可對硅堆結(jié)構(gòu)可靠性進(jìn)行針對性探究。