評論員文章

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IGBT模塊概述

(相關資料圖)

隨著高速動車組列車、電動汽車及其充電樁、5G 通信設備、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的廣泛應用和迭代更新，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ā⑼ㄐ艂鬟f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。

應用于電力電子系統(tǒng)的 IGBT 模塊，由于自身的開通關斷、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 模塊可靠性的關鍵技術之一。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)結構描述，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 的結構為三明治形式，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)結構圖

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，引起剪切應力和彎曲形變，最終導致 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)熱測試得到的結構函數(shù)，和因為功率循環(huán)測試設備監(jiān)控指標值超標而觸發(fā)的瞬態(tài)熱測試得到的結構函數(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)測試設備的目的在于對電力電子器件應用在其壽命期內(nèi)的可靠性進行測試，屬于工業(yè)化的應用，它是基于先進的T3Ster瞬態(tài)熱測試技術實現(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，同時使用結構函數(shù)功能分析記錄封裝的變化或者封裝結構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雜的數(shù)據(jù)模型。T3Ster +FloTHERM硬軟件結合是行業(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測模型，對一定應用場合下的 IGBT 模塊預期使用壽命進行估算。因此，壽命預測模型對于 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溫大小、導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。它的含義是指設備在正常工作應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 CoffinManson 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 模型基礎上進一步考慮了平均結溫 Tm 的影響，相應的數(shù)學表達式為

式中，kB 和 Ea 分別為玻耳茲曼常數(shù)和硅芯片的激發(fā)能。上述兩個模型側重于考慮結溫與失效前熱循環(huán)次數(shù)之間的關系，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系緊密。

（3）NorrisLandzberg 模型在計及結溫因素的同時，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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結語

通過獲得的被測半導體/IGBT 器件的壽命曲線，可以將任務剖面通過電熱仿真模型轉化為溫度曲線，結合溫度雨流算法和累計損傷模型轉化為壽命損耗，能夠準確的評價IGBT 器件應用壽命及剩余壽命，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。

壽命預期的研究