IGBT模塊壽命評估實驗依據(jù)

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IGBT模塊概述

隨著高速動車組列車、電動汽車及其充電樁、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)升級改造的關(guān)鍵。與此同時，電力供電的持續(xù)穩(wěn)定、交通運輸?shù)陌踩珪惩?、通信傳遞的及時準確等各行業(yè)基本需求對 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、處理功率的波動性以及外部運行環(huán)境的變化，長期承受不均衡的電熱應(yīng)力，在運行過程中易產(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)里公認的評估IGBT模塊壽命的實驗依據(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，為了加快工作時產(chǎn)生的熱量向周圍進行傳遞，導(dǎo)熱硅脂和散熱器會安裝在 IGBT 模塊的底部。

IGBT 模塊及其散熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

當 IGBT 模塊處于正常工作時，電流會流經(jīng)鍵合線，芯片會產(chǎn)生功率損耗，使得 IGBT 模塊運行溫度升高；又由于 IGBT 模塊的開通和關(guān)斷動作以及處理功率的波動性和間歇性，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，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。

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功率循環(huán)實驗Power Cycling Test

PC實驗對IGBT模塊的破壞體現(xiàn)在以下幾個方面：引線鍵合失效，焊接層疲勞失效，基板焊層脫落。

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功率循環(huán)實驗描述

功率循環(huán)測試設(shè)備既可以對包括IGBT 器件在內(nèi)的電力電子器件進行功率循環(huán)測試即對被測電力電子器件施加應(yīng)力測試，還可以通過瞬態(tài)熱測試對包括IGBT 器件在內(nèi)的電力電子器件進行熱特性測量。特別是在功率循環(huán)測試中通過周期性進行的瞬態(tài)熱測試得到的結(jié)構(gòu)函數(shù)，和因為功率循環(huán)測試設(shè)備監(jiān)控指標值超標而觸發(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)測試的進行，包括IGBT 器件在內(nèi)的電力電子器件內(nèi)部的降級過程。這樣可以實現(xiàn)在在線式的實時監(jiān)控。

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

功率循環(huán)測試設(shè)備的目的在于對電力電子器件應(yīng)用在其壽命期內(nèi)的可靠性進行測試，屬于工業(yè)化的應(yīng)用，它是基于先進的T3Ster瞬態(tài)熱測試技術(shù)實現(xiàn)在同一臺機器上提供全自動瞬態(tài)熱阻測試和功率循環(huán)測試，同時使用結(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和驗證復(fù)雜的數(shù)據(jù)模型。T3Ster +FloTHERM硬軟件結(jié)合是行業(yè)內(nèi)實現(xiàn)熱仿真和熱測試自動校準的唯一解決方案。

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壽命評估描述

IGBT 模塊的壽命評估一般是指利用壽命預(yù)測模型，對一定應(yīng)用場合下的 IGBT 模塊預(yù)期使用壽命進行估算。因此，壽命預(yù)測模型對于 IGBT 模塊的壽命評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式。這些常見的電熱參量包括結(jié)溫大小、導(dǎo)通時間和電流幅值等。由于壽命模型通常是基于加速壽命試驗得到的，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，下面分別對其進行介紹。

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

式中，λ和 n 可通過擬合試驗數(shù)據(jù)得到。

（2）Lesit 模型則在 Coffin-Manson 模型基礎(chǔ)上進一步考慮了平均結(jié)溫 Tm 的影響，相應(yīng)的數(shù)學(xué)表達式為

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 模型在計及結(jié)溫因素的同時，還研究了熱循環(huán)頻率 f 對 IGBT 模塊壽命的作用機制，其計算公式為

式中，ANL、n1、n2 為試驗數(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 Nf 的影響：加熱時間 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，具體表達式為

式中，系數(shù) k1、b1～b6 則是通過擬合加速壽命試驗數(shù)據(jù)得到。盡管解析壽命模型具有計算簡單、表達直觀等優(yōu)點，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 模塊的失效機理。

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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損傷模型轉(zhuǎn)化為壽命損耗，能夠準確的評價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