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摘? 要?
針對(duì)汽車(chē) IGBT 模塊的主要失效原理和引線鍵合壽命短板，結(jié)合仿真分析進(jìn)行了功率循環(huán)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，結(jié)溫差?ΔTj 和流經(jīng)鍵合線的電流 IC 是影響鍵合點(diǎn)壽命的主要加速因子，中間溫度（Tjm）是影響鍵合點(diǎn)壽命的重要因子。傳統(tǒng)功率循環(huán)壽命試驗(yàn)需采用大量的試驗(yàn)樣本，文章采用單根鍵合引線作為試驗(yàn)獨(dú)立樣本，極大程度地減少了試驗(yàn)所需的樣本數(shù)，同時(shí)通過(guò)壓降參數(shù) VCE(sat)?的微小變化相對(duì)準(zhǔn)確地獲取到 IGBT 模塊內(nèi)部鍵合線的脫落趨勢(shì)，結(jié)合壽命模型和威布爾統(tǒng)計(jì)方法，對(duì)鍵合點(diǎn)壽命進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，最終獲得功率循環(huán)壽命曲線。利用新的功率循環(huán)壽命統(tǒng)計(jì)方法可將試驗(yàn)成本和試驗(yàn)周期減少 80%。
0? 引言
隨著電動(dòng)汽車(chē)的高速發(fā)展，作為其核心部件的IGBT 模塊的可靠性也倍受關(guān)注。IGBT 的壽命研究國(guó)內(nèi)外已有不少研究成果，但是對(duì)于汽車(chē)用的 IGBT 模塊的研究較少。汽車(chē) IGBT 模塊應(yīng)用工況相對(duì)其他應(yīng)用工況更加惡劣，在汽車(chē)運(yùn)行過(guò)程中，啟停和加減速頻繁，對(duì)應(yīng)的是 IGBT 模塊的功率變化，IGBT 結(jié)溫也會(huì)隨之不斷循環(huán)變化，溫度變化產(chǎn)生的熱應(yīng)力會(huì)使模塊內(nèi)部層次間產(chǎn)生蠕變熱疲勞，直至 IGBT 失效。針對(duì)汽車(chē)IGBT 特殊的應(yīng)用工況條件，準(zhǔn)確地評(píng)價(jià) IGBT 模塊的熱循環(huán)壽命需求非常迫切。
功率循環(huán)試驗(yàn)是 IGBT 模塊常用的加速壽命試驗(yàn)方法之一，通過(guò)給 IGBT 模塊通斷直流電流并結(jié)合外部冷卻水冷卻，使芯片結(jié)溫在可控的溫度范圍內(nèi)變化，該方法是通過(guò)加速方法模擬 IGBT 模塊在應(yīng)用工況中的溫度變化，定量評(píng)價(jià)熱疲勞的損傷，是應(yīng)用壽命預(yù)測(cè)重要的評(píng)價(jià)手段。
1? 功率循環(huán)壽命退化原理
服役狀態(tài)下的 IGBT 模塊處于亞穩(wěn)定狀態(tài)，其材料和結(jié)構(gòu)會(huì)隨著時(shí)間的推移發(fā)生狀態(tài)改變或退化。IGBT 模塊在整個(gè)壽命周期內(nèi)，會(huì)經(jīng)歷數(shù)萬(wàn)至數(shù)百萬(wàn)次的溫度循環(huán)沖擊，這期間熱應(yīng)力的反復(fù)作用會(huì)使材料發(fā)生疲勞，造成模塊封裝結(jié)構(gòu)的逐漸退化。IGBT 模塊封裝結(jié)構(gòu)的退化主要表現(xiàn)在模塊的電學(xué)和熱學(xué)性能的退化上。
1.1? 熱退化
IGBT 模塊（結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖 1）在應(yīng)用中的電壓、電流不是恒定的，而是隨著汽車(chē)運(yùn)行速度和載荷的變化而變化，從而使模塊溫度不斷變化。由于模塊芯片、芯片焊層、DBC 等層次的熱膨脹系數(shù)不完全一致，當(dāng)模塊受到芯片溫度的循環(huán)沖擊時(shí)，不同材料會(huì)產(chǎn)生不同程度的受熱膨脹和冷卻收縮，從而使模塊的各層材料之間產(chǎn)生交變的應(yīng)力，造成結(jié)構(gòu)的松弛和材料裂紋的萌生，使得導(dǎo)熱系數(shù)等熱參數(shù)退化。當(dāng) IGBT 模塊的焊料出現(xiàn)裂紋和分層時(shí)，從芯片到模塊底部散熱器之間的有效傳熱面積就會(huì)減小，造成模塊熱阻 Rth 的增大。IGBT 模塊熱阻的增大又會(huì)降低模塊的傳熱性能，導(dǎo)致芯片結(jié)溫 Tj 升高。
1.2? 電參數(shù)退化
在應(yīng)用工況中，IGBT 模塊材料的損傷會(huì)影響其外部電學(xué)特性，使模塊的電氣參數(shù)發(fā)生變化，這些電氣參數(shù)包括壓降 VCE(sat)?和 VF、柵極閾值電壓 VGE(th)、柵極電流 IGES 等。鍵合線與芯片之間熱膨脹系數(shù)不匹配引起的熱應(yīng)力會(huì)造成鍵合線脫落，導(dǎo)致鍵合線接觸電阻增大，進(jìn)而使得 IGBT 模塊的導(dǎo)通電阻 Ron 增大，飽和壓降 VCE (sat)?升高。此外，為了連接 IGBT 芯片元胞和發(fā)射極，進(jìn)行芯片與襯板的引線鍵合，芯片表面會(huì)覆蓋一層鍍層金屬。當(dāng)鍍層金屬受到溫度沖擊時(shí)，晶粒會(huì)產(chǎn)生塑性變形 ，引起金屬化重構(gòu)。鍍層金屬的演化會(huì)減小其有效橫截面積，增大整個(gè)鍍層金屬的電阻，影響模塊的飽和壓降 VCE(sat)。
2? 鍵合熱機(jī)仿真
IGBT 模塊工作過(guò)程中涉及到電流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)等多個(gè)物理場(chǎng)相互作用的影響，電流場(chǎng)產(chǎn)生功率損耗，功率損耗引起的焦耳熱是溫度場(chǎng)中的熱源，模塊溫度的波動(dòng)及溫度場(chǎng)的不均勻分布會(huì)使模塊各層之間產(chǎn)生熱應(yīng)力，進(jìn)而模塊發(fā)生形變。模塊形狀的改變又會(huì)引起溫度場(chǎng)的變化和電流分布的改變，因此，在進(jìn)行 IGBT 模塊鍵合線應(yīng)力仿真時(shí)，應(yīng)考慮多個(gè)物理場(chǎng)之間相互耦合的情況。本文建立的 IGBT 模塊實(shí)體模型如圖 2 所示。在芯片表面有源區(qū)施加發(fā)熱載荷，模擬芯片發(fā)熱時(shí)的溫度場(chǎng)分布，計(jì)算鍵合線的累積塑性變形損傷及其具體發(fā)生的位置。
圖 3 給出了鍵合線根部的 von Mises 應(yīng)力分布?？梢园l(fā)現(xiàn)，在鍵合點(diǎn)處產(chǎn)生 von Mises 應(yīng)力的最大值，鍵合線根部出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。提取鍵合線上的第一主應(yīng)變分布，如圖 4 所示，發(fā)現(xiàn)在應(yīng)力較大的鍵合線根部位置鍵合線的第一主應(yīng)變最大。功率循環(huán)試驗(yàn)中IGBT 模塊鍵合線的失效，往往是在鍵合點(diǎn)處產(chǎn)生裂紋，裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致鍵合線脫落。
3? 試驗(yàn)設(shè)計(jì)
3.1? 功率循環(huán)試驗(yàn)方法
大功率 IGBT 模塊功率循環(huán)常用的試驗(yàn)方法有恒定結(jié)溫升?ΔTj 、恒定功率 P 和恒定電流 IC。恒定結(jié)溫升ΔTj 和恒定功率 P 主要是針對(duì)焊層的退化，其中恒定結(jié)溫升?ΔTj 的試驗(yàn)?zāi)Ｊ礁悠毡椋缓愣娏?IC 試驗(yàn)?zāi)Ｊ絼t主要用于評(píng)價(jià)鍵合點(diǎn)的壽命。
3.1.1 恒定結(jié)溫升 ΔTj 模式
恒定結(jié)溫升 ΔTj 試驗(yàn)?zāi)Ｊ郊丛谠囼?yàn)過(guò)程中，Ton 和Toff 保持不變，實(shí)時(shí)調(diào)整 IC 的值，使?ΔTj 恒定。該試驗(yàn)?zāi)Ｊ较?，隨著產(chǎn)品熱特性的退化，維持結(jié)溫升?ΔTj 穩(wěn)定需要不斷地減小電流 IC。恒定結(jié)溫升 ΔTj 的試驗(yàn)?zāi)Ｊ皆谲壍澜煌ㄓ?a href="http://wenjunhu.com/v/tag/873/" target="_blank">高壓 IGBT 模塊的芯片焊層熱疲勞評(píng)價(jià)中被廣泛應(yīng)用。對(duì)于軌道交通用 IGBT 模塊通常會(huì)對(duì)引線鍵合點(diǎn)進(jìn)行涂膠保護(hù)，引線不會(huì)輕易脫落，其壽命短板為芯片焊層的分層和收縮。結(jié)溫變化值是焊層熱疲勞退化的主要因子，受電流大小影響較小，故軌道交通用高壓IGBT 模塊試驗(yàn)采用恒定結(jié)溫升?ΔTj 的模式比較合適。
3.1.2? 恒定電流 IC 試驗(yàn)?zāi)Ｊ?/strong>
恒定電流 IC 試驗(yàn)?zāi)Ｊ郊礊樵谠囼?yàn)過(guò)程中，Ton, Toff,IC 全部保持不變。在試驗(yàn)開(kāi)始的時(shí)候通過(guò)前期調(diào)整使Ton, Toff, IC 滿(mǎn)足設(shè)定的?ΔTj 的要求，在試驗(yàn)過(guò)程中不再對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。這種試驗(yàn)?zāi)Ｊ较?，隨著產(chǎn)品熱退化和電退化綜合效應(yīng)導(dǎo)致?ΔTj 越來(lái)越大。對(duì)于汽車(chē)用IGBT 模塊，由于封裝工藝和材料等與高壓模塊存在差異且考慮成本因素，對(duì)模塊的引線鍵合點(diǎn)通常未涂覆保護(hù)膠，鍵合點(diǎn)是 IGBT 模塊壽命的短板，電參數(shù)退化是主要的退化原理，通常采用恒定電流 IC 模式進(jìn)行試驗(yàn)。AQG324 汽車(chē)模塊標(biāo)準(zhǔn)也做了同樣的規(guī)定說(shuō)明。
3.1.3? 熱敏系數(shù)測(cè)試
在進(jìn)行功率循環(huán)前，試驗(yàn)人員需要對(duì) IGBT 模塊進(jìn)行熱敏系數(shù)（也稱(chēng) K 系數(shù)）的測(cè)量。在小電流下，結(jié)溫和電壓 VCE 呈線性關(guān)系。所以，在不同溫度下對(duì)壓降VCE 進(jìn)行精準(zhǔn)的標(biāo)定，獲取小電流下壓降與溫度的關(guān)系曲線，該曲線的斜率即為 IGBT 的 K 系數(shù)，K 系數(shù)示意圖見(jiàn)圖 5。試驗(yàn)過(guò)程中只需獲取小電流下模塊的壓降即可反推出芯片的結(jié)溫。
3.2? 威布爾統(tǒng)計(jì)方法介紹
威布爾分布在可靠性工程領(lǐng)域具有舉足輕重的地位，該分布模型是功率半導(dǎo)體器件常用的壽命分布模型。本文研究的 IGBT 鍵合點(diǎn)失效主要由于材料壽命引起，其壽命分布可以用兩參數(shù)威布爾統(tǒng)計(jì)分布來(lái)描述?，其累積失效率計(jì)算公式為式中：
m 為形狀參數(shù)；η?為真尺度參數(shù)；N 為器件失效周期數(shù)。
將統(tǒng)計(jì)的鍵合點(diǎn)壽命數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，通過(guò)作圖法，可以獲得形狀參數(shù)m和真尺度參數(shù)η的值，利用上述值，便可輕松算得樣品的壽命?為
式中：R 為規(guī)定的可靠度。
3.3???試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)
3.3.1 壽命模型
功率半導(dǎo)體壽命常用模型為
式中：Nf 為模塊壽命；K 為玻爾茲曼常數(shù)；Tjm 為平均結(jié)溫；EA 為激活能；β1, β2, β3 為計(jì)算值，與功率器件結(jié)構(gòu)及材料有關(guān)，無(wú)實(shí)際物理意義。
對(duì)于功率IGBT模塊，式中的激活能EA通常取0.168eV ?。上述模型中加速因子主要為?ΔTj, Tjm, IC。本文以此模型為基礎(chǔ)進(jìn)行試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)。
3.3.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)
試驗(yàn)采用恒定電流 IC 的模式。對(duì) ΔTj, Tjm, IC3 個(gè)加速因子進(jìn)行拉偏試驗(yàn)，當(dāng)對(duì)一個(gè)參數(shù)進(jìn)行拉偏時(shí)，其他 2 個(gè)參數(shù)保持一致。拉偏方案具體見(jiàn)表 1~?表 3。為滿(mǎn)足設(shè)定的條件，可以適當(dāng)調(diào)整 IGBT 柵極電壓 VGE 和關(guān)斷時(shí)間 Toff。
對(duì)于壽命分布的統(tǒng)計(jì)，通常都是取模塊壓降 VCE（sat）退化 5% 的循環(huán)次數(shù)作為模塊的截止壽命 ，這種方式是將 IGBT 模塊整體作為黑匣子處理，忽略了其失效的過(guò)程細(xì)節(jié)。在做壽命分布的時(shí)候需要大量的樣本才能獲取比較準(zhǔn)確的壽命值，通常需要單個(gè)試驗(yàn)拉偏條件大于 10?只的樣本數(shù)量，這無(wú)疑需要巨大的經(jīng)濟(jì)成本和時(shí)間成本。針對(duì)汽車(chē)IGBT模塊鍵合點(diǎn)脫落的失效模式，本文研究采用以鍵合點(diǎn)作為樣本子樣，進(jìn)行功率循環(huán)壽命統(tǒng)計(jì)。圖 6 所示模塊是一種汽車(chē)用半橋 IGBT 模塊，其一個(gè)橋臂有 144 個(gè)鍵合點(diǎn)，即每只模塊可視為144 個(gè)樣本子樣，因此可以通過(guò)較少的幾只模塊的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到大量鍵合點(diǎn)的壽命，這將大大減少試驗(yàn)的經(jīng)濟(jì)成本和時(shí)間成本，同時(shí)能夠更準(zhǔn)確獲取鍵合點(diǎn)壽命的循環(huán)次數(shù)。
4? 試驗(yàn)結(jié)果
4.1? 試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)
本文的試驗(yàn)設(shè)計(jì)采用恒定電流 IC 的試驗(yàn)?zāi)Ｊ?。功率循環(huán)試驗(yàn)的熱疲勞效應(yīng)導(dǎo)致鍵合點(diǎn)與芯片金屬層界面裂紋生長(zhǎng)，每次鍵合點(diǎn)的脫落，IGBT 模塊的壓降VCE(on)?會(huì)明顯增大，形成一個(gè)明顯的臺(tái)階，可以方便試驗(yàn)人員對(duì)鍵合點(diǎn)脫落時(shí)對(duì)應(yīng)的循環(huán)周次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖 7 所示。
在鍵合點(diǎn)脫落數(shù)量較少的情況下，每個(gè)鍵合點(diǎn)的脫落會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)固定的 ΔVCE(on)。當(dāng)鍵合點(diǎn)脫落數(shù)量達(dá)到一定數(shù)量后，每個(gè)鍵合點(diǎn)脫落會(huì)導(dǎo)致壓降的增加值與初始的 ΔVCE(on)?不再呈線性關(guān)系，影響到循環(huán)周次數(shù)對(duì)應(yīng)的鍵合點(diǎn)脫落數(shù)量統(tǒng)計(jì)，可以采用定數(shù)截尾的方式進(jìn)行試驗(yàn)來(lái)減小統(tǒng)計(jì)誤差。每個(gè)壓降突變處鍵合點(diǎn)的脫落數(shù)量可以近似計(jì)算為
式中：V2 為臺(tái)階上沿值；V1 為臺(tái)階下沿值；ΔVCE(on)?為單根鍵合點(diǎn)脫落所增加的壓降值。
隨著產(chǎn)品性能的退化，芯片的溫度也會(huì)大幅增加，IGBT?芯片通常為正溫度系數(shù)，可對(duì)式?(4)?進(jìn)行系數(shù)修正，每個(gè)壓降突變處鍵合點(diǎn)的脫落數(shù)量可近似計(jì)算為
根據(jù)試驗(yàn)過(guò)程曲線，按照式 (4) 或式 (5) 的計(jì)算方法，統(tǒng)計(jì)不同循環(huán)周次數(shù)對(duì)應(yīng)的鍵合點(diǎn)脫落數(shù)量，如圖 8 所示（圖中點(diǎn)的個(gè)數(shù)即為鍵合點(diǎn)脫落數(shù)量）。
4.2? 數(shù)據(jù)分析及壽命計(jì)算
按照威布爾分布計(jì)算方法對(duì)鍵合點(diǎn)脫落統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，獲取在某一累計(jì)失效率下的 IGBT 模塊功率循環(huán)壽命，如圖 9 所示。威布爾參數(shù)計(jì)算方法已經(jīng)非常成熟，本文不再贅述。
本文以鍵合點(diǎn)累積失效率為 10% 作為模塊的壽命（也稱(chēng)為 B10?壽命），計(jì)算得到不同試驗(yàn)條件下的IGBT 模塊功率循環(huán)壽命，如表 4~?表 6 所示。
基于壽命模型式?(3)?對(duì)上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)代入進(jìn)行計(jì)算，獲取系數(shù)?β1, β2, β3 值，通過(guò)計(jì)算的壽命模型可擬合得到在不同加速因子下的二維功率循環(huán)壽命曲線如圖 10?和圖 11 所示。圖 10?和圖 11 的曲線表明，IC 對(duì)鍵合點(diǎn)壽命的影響較大，是影響鍵合點(diǎn)壽命的主要加速因子；Tjm 對(duì)鍵合點(diǎn)壽命的影響相對(duì)較小，但也是影響鍵合點(diǎn)壽命的重要加速因子。失效模塊解剖圖如圖所示 12。
對(duì)完成試驗(yàn)的模塊進(jìn)行解剖分析，模塊鍵合點(diǎn)有明顯剝離脫落，失效位置為鍵合點(diǎn)根部，佐證了前文的鍵合熱機(jī)仿真的失效模式。
5???結(jié)語(yǔ)
本文基于汽車(chē) IGBT 模塊功率循環(huán)壽命的研究，從失效原理、試驗(yàn)方法、壽命模型和統(tǒng)計(jì)模型等多個(gè)角度進(jìn)行闡述，針對(duì)汽車(chē) IGBT 模塊的鍵合點(diǎn)壽命短板，進(jìn)行了功率循環(huán)試驗(yàn)設(shè)計(jì)。本文提出基于鍵合點(diǎn)作為樣本子樣的壽命統(tǒng)計(jì)方法，相比傳統(tǒng)以 IGBT 模塊作為樣本的壽命統(tǒng)計(jì)方法，該方法可以大幅度減少試驗(yàn)樣本數(shù)量 , 節(jié)省巨大的時(shí)間成本和經(jīng)濟(jì)成本 , 并提升壽命評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性，具有很好的工程應(yīng)用價(jià)值。
編輯：黃飛
工商網(wǎng)監(jiān)
評(píng)論