SiC MOSFET 短路测试下的引线键合应力分析

电力电子技术在日常生活中越来越普遍，尤其是现在，当我们正经历一场由宽带隙 (WBG) 材料引发的革命时。  

WBG 材料在 SiC MOSFET 和 GaN HEMT 等新型功率半导体器件的开发中的应用打破了传统硅技术确立的规则和概念，现在允许实施具有更高功率密度和效率的功率转换器，相比之下到等效的硅器件。  

此外，随着转换器尺寸的减小和功率密度的攀升，封装解决方案也在不断发展和更新。设计可靠和安全的转换器，包括芯片之间的连接和绝缘材料的选择，具有挑战性。

除了提供紧凑高效的解决方案之外，WBG 材料还需要满足异常或临界工作条件（例如短路和极端温度操作）的安全要求。例如，SiC MOSFET 需要安全地吸收短路事件期间涉及的大量能量，因为可以在器件端子上同时施加高电压和高电流值。这些情况也可能产生大的热波动。

需要考虑在功率转换器的寿命内发生此类事件的可能性及其后果，这引起了许多研究人员的兴趣。考虑到重复短路，他们开展了许多活动，介绍了与SiC MOSFET栅极氧化物退化相关的分析，因为栅极氧化物处热量的逐渐增加可能会导致产生漏电流的导电路径。其他研究表明，已经进行了功率循环试验，以确定由于高温操作和高温摆动可能发生的电气参数或机械部件的任何退化。

在这项研究中，通过有限元分析和 TO247-3 封装的 CAD 模型（图 1（a））对 1.2kV SiC MOSFET 进行了分析，并进行了非常紧张的实验性短路测试。

该分析的目的是评估施加到键合线的热机械应力。从实验测试中，我们观察到环氧模塑料树脂和硅凝胶会影响短路能量和耐受时间，并且突出显示当树脂被硅凝胶替代时略有降低。

专注于键合线的热机械模拟，我们已经看到模塑封装样品和灌封凝胶样品之间的差异之一是由于各种材料的不同热机械行为而施加在引线上的临界应力。由于这些应力，凝胶涂层模型中键合线的总变形是模制模型的两倍，图 1（b）。

图 1 (a) 用于热机械模拟的几何形状，(b) 使用灌封凝胶封装的源极键合线的变形。

审核编辑 黄昊宇