01

IGBT模塊概述

隨著高速動(dòng)車組列車、電動(dòng)汽車及其充電樁、5G 通信設(shè)備、交直流混合配電網(wǎng)、柔性直流輸電、新能源發(fā)電裝置等這些新興科技的迅猛發(fā)展，始終離不開電力電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用和迭代更新，而作為電能變換與控制核心組件之一的 IGBT 模塊則成為傳統(tǒng)工業(yè)升級(jí)改造的關(guān)鍵。與此同時(shí)，電力供電的持續(xù)穩(wěn)定、交通運(yùn)輸?shù)陌踩珪惩?、通信傳遞的及時(shí)準(zhǔn)確等各行業(yè)基本需求對(duì) IGBT 模塊的可靠性也提出了越來越高的要求。

應(yīng)用于電力電子系統(tǒng)的 IGBT 模塊，由于自身的開通關(guān)斷、處理功率的波動(dòng)性以及外部運(yùn)行環(huán)境的變化，長期承受不均衡的電熱應(yīng)力，在運(yùn)行過程中易產(chǎn)生熱疲勞，降低其可靠性。熱疲勞失效是 IGBT 模塊在其正常壽命歷程中始終伴隨的必然失效。壽命評(píng)估是提高 IGBT 模塊可靠性的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前行業(yè)里公認(rèn)的評(píng)估IGBT模塊壽命的實(shí)驗(yàn)依據(jù)是功率循環(huán)測試。

IGBT 模塊及其散熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)描述，IGBT 模塊是由多層不同物理材料組成，從上到下依次為硅芯片、芯片焊料層、直接覆銅陶瓷基板（Direct Bonded Copper, DBC）、基底焊料層和銅基板。DBC 的結(jié)構(gòu)為三明治形式，它一般由銅、陶瓷、銅三種材料組成，起到電氣絕緣、機(jī)械支撐以及散熱等作用。鍵合線焊接在芯片頂端和引線端子之間，起到電氣連接的作用。此外，為了加快工作時(shí)產(chǎn)生的熱量向周圍進(jìn)行傳遞，導(dǎo)熱硅脂和散熱器會(huì)安裝在 IGBT 模塊的底部。

IGBT 模塊及其散熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

當(dāng) IGBT 模塊處于正常工作時(shí)，電流會(huì)流經(jīng)鍵合線，芯片會(huì)產(chǎn)生功率損耗，使得 IGBT 模塊運(yùn)行溫度升高；又由于 IGBT 模塊的開通和關(guān)斷動(dòng)作以及處理功率的波動(dòng)性和間歇性，IGBT 模塊內(nèi)部容易產(chǎn)生溫度變化；加之 IGBT 模塊內(nèi)部層與層之間的熱膨脹系數(shù)不匹配，受到溫度變化作用時(shí)，每一層材料膨脹收縮體積不一，容易產(chǎn)生擠壓-拉伸，引起剪切應(yīng)力和彎曲形變，最終導(dǎo)致 IGBT 模塊熱疲勞失效。

02

功率循環(huán)實(shí)驗(yàn)Power Cycling Test

PC實(shí)驗(yàn)對(duì)IGBT模塊的破壞體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：引線鍵合失效，焊接層疲勞失效，基板焊層脫落。

03

功率循環(huán)實(shí)驗(yàn)描述

功率循環(huán)測試設(shè)備既可以對(duì)包括IGBT 器件在內(nèi)的電力電子器件進(jìn)行功率循環(huán)測試即對(duì)被測電力電子器件施加應(yīng)力測試，還可以通過瞬態(tài)熱測試對(duì)包括IGBT 器件在內(nèi)的電力電子器件進(jìn)行熱特性測量。特別是在功率循環(huán)測試中通過周期性進(jìn)行的瞬態(tài)熱測試得到的結(jié)構(gòu)函數(shù)，和因?yàn)楣β恃h(huán)測試設(shè)備監(jiān)控指標(biāo)值超標(biāo)而觸發(fā)的瞬態(tài)熱測試得到的結(jié)構(gòu)函數(shù)，可以清晰的顯示出隨著功率循環(huán)測試的進(jìn)行，包括IGBT 器件在內(nèi)的電力電子器件內(nèi)部的降級(jí)過程。這樣可以實(shí)現(xiàn)在在線式的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

MicRed Power Tester功率循環(huán)測試設(shè)備支持自動(dòng)測試和診斷生產(chǎn)環(huán)境中功率器件可能的失效原因。能夠?qū)δK進(jìn)行數(shù)萬甚至數(shù)百萬次功率循環(huán)，與此同時(shí)提供“實(shí)時(shí)的”失效過程的數(shù)據(jù)進(jìn)行診斷。在自動(dòng)進(jìn)行功率循環(huán)測試時(shí)，可以產(chǎn)生分析數(shù)據(jù)，供實(shí)時(shí)、在線式的進(jìn)行失效過程分析。

功率循環(huán)測試設(shè)備的目的在于對(duì)電力電子器件應(yīng)用在其壽命期內(nèi)的可靠性進(jìn)行測試，屬于工業(yè)化的應(yīng)用，它是基于先進(jìn)的T3Ster瞬態(tài)熱測試技術(shù)實(shí)現(xiàn)在同一臺(tái)機(jī)器上提供全自動(dòng)瞬態(tài)熱阻測試和功率循環(huán)測試，同時(shí)使用結(jié)構(gòu)函數(shù)功能分析記錄封裝的變化或者封裝結(jié)構(gòu)的失效并可以加速封裝的研發(fā)，可靠性測試以及生產(chǎn)前零件批量檢測。

系統(tǒng)測試得到的器件熱特性的數(shù)據(jù)能夠在專業(yè)的Flotherm/FloEFD散熱仿真軟件中校準(zhǔn)和驗(yàn)證復(fù)雜的數(shù)據(jù)模型。T3Ster +FloTHERM硬軟件結(jié)合是行業(yè)內(nèi)實(shí)現(xiàn)熱仿真和熱測試自動(dòng)校準(zhǔn)的唯一解決方案。

04

壽命評(píng)估描述

IGBT 模塊的壽命評(píng)估一般是指利用壽命預(yù)測模型，對(duì)一定應(yīng)用場合下的 IGBT 模塊預(yù)期使用壽命進(jìn)行估算。因此，壽命預(yù)測模型對(duì)于 IGBT 模塊的壽命評(píng)估具有重要研究意義，現(xiàn)有的壽命模型主要有解析壽命模型和失效物理模型兩類。

解析壽命模型一般是通過擬合加速壽命試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)，來建立 IGBT 模塊失效前熱循環(huán)次數(shù)Nf 與電熱參量之間的解析表達(dá)式。這些常見的電熱參量包括結(jié)溫大小、導(dǎo)通時(shí)間和電流幅值等。由于壽命模型通常是基于加速壽命試驗(yàn)得到的，因此加速因子也需要被考慮。

它的含義是指設(shè)備在正常工作應(yīng)力下的壽命與在加速環(huán)境下的壽命之比。這些加速因子包括溫度加速因子、電壓加速因子和濕度加速因子等。目前使用較多的解析壽命模型包括 Coffin?Manson 模型、Lesit 模型、Norris-Landzberg 模型、Bayerer 模型，下面分別對(duì)其進(jìn)行介紹。

（1）Coffin-Manson 模型主要考慮ΔTj 對(duì) IGBT 模塊壽命的影響，其表達(dá)式為

式中，λ和 n 可通過擬合試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到。

（2）Lesit 模型則在 Coffin-Manson 模型基礎(chǔ)上進(jìn)一步考慮了平均結(jié)溫 Tm 的影響，相應(yīng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中，kB 和 Ea 分別為玻耳茲曼常數(shù)和硅芯片的激發(fā)能。上述兩個(gè)模型側(cè)重于考慮結(jié)溫與失效前熱循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系，但是前面失效機(jī)理研究現(xiàn)狀表明，IGBT 模塊的失效還和一些電氣參量關(guān)系緊密。

（3）Norris?Landzberg 模型在計(jì)及結(jié)溫因素的同時(shí)，還研究了熱循環(huán)頻率 f 對(duì) IGBT 模塊壽命的作用機(jī)制，其計(jì)算公式為

式中，ANL、n1、n2 為試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到的常數(shù)。

（4）Bayerer 模型

目前考慮因素最為全面的解析模型為 Bayerer 模型，它不僅考慮了結(jié)溫大小的作用，還考慮了以下因素對(duì) Nf 的影響：加熱時(shí)間 ton、每根鍵合線通過電流的有效值 I、IGBT 模塊的耐壓值 U、鍵合線的直徑 D，具體表達(dá)式為

式中，系數(shù) k1、b1～b6 則是通過擬合加速壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到。盡管解析壽命模型具有計(jì)算簡單、表達(dá)直觀等優(yōu)點(diǎn)，但是由于該類壽命模型的建立僅僅是通過擬合加速壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的，因而既沒有體現(xiàn)不同參量之間的物理聯(lián)系，也沒有反映出 IGBT 模塊的失效機(jī)理。

05

結(jié)語

通過獲得的被測半導(dǎo)體/IGBT 器件的壽命曲線，可以將任務(wù)剖面通過電熱仿真模型轉(zhuǎn)化為溫度曲線，結(jié)合溫度雨流算法和累計(jì)損傷模型轉(zhuǎn)化為壽命損耗，能夠準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)IGBT 器件應(yīng)用壽命及剩余壽命，這是國內(nèi)外絕大部分的IGBT 生產(chǎn)商，比較前端的研究方向。

壽命預(yù)期的研究

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審核編輯：劉清