IGBT可靠性與壽命評(píng)估研究

摘要

IGBT?作為新能源汽車電機(jī)控制器的核心部件，直接決定了電動(dòng)汽車的安全性和可靠性。本文主要介 紹采用熱敏感電參數(shù)法提取?IGBT?結(jié)溫，并結(jié)合?CLTC?等試驗(yàn)工況得出對(duì)應(yīng)結(jié)溫曲線，通過(guò)雨流分析、Miner?線性累 積損傷準(zhǔn)則等評(píng)估整車壽命周期內(nèi)?IGBT?模塊的熱疲勞壽命，最后結(jié)合電機(jī)控制器總成的試驗(yàn)現(xiàn)狀，提出總成級(jí)試 驗(yàn)中進(jìn)行?IGBT?加速試驗(yàn)的可行性方案。

IGBT是能源變換與傳輸?shù)暮诵钠骷?俗稱電力電子裝置 的“CPU”。在新能源汽車中，IGBT直接控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)直、交 流電的轉(zhuǎn)換，決定了車輛的扭矩和最大輸出功率等，是汽車 動(dòng)力總成系統(tǒng)的“心臟”。在新能源汽車中大量使用了IGBT?功率器件，例如：電控、OBC、空調(diào)系統(tǒng)及充電樁等，如圖1?所示。據(jù)統(tǒng)計(jì)，IGBT等功率器件占到整車成本的7%～10%。?

在電機(jī)控制器中，IGBT將動(dòng)力電池的高壓直流電轉(zhuǎn)換 為驅(qū)動(dòng)三相電機(jī)的交流電，為電機(jī)提供動(dòng)力。在汽車運(yùn)行 過(guò)程中，啟停、頻繁加減速等會(huì)使IGBT模塊功率發(fā)生變化，?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)部焊層之間產(chǎn)生蠕變熱疲勞或失效。因此，IG－?BT模塊的結(jié)溫變化是影響其工作壽命與可靠性的主要因素。本文采用熱敏感電參數(shù)法提取IGBT結(jié)溫，并結(jié)合CLTC等試 驗(yàn)工況得出對(duì)應(yīng)結(jié)溫曲線，通過(guò)雨流分析、Miner線性累積 損傷準(zhǔn)則等分析和評(píng)估整車壽命周期內(nèi)IGBT模塊的熱疲勞 壽命，提出在總成級(jí)試驗(yàn)中進(jìn)行IGBT加速試驗(yàn)的可行性方案。?

1 IGBT概述?

1.1?什么是IGBT？

IGBT?（Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極型 晶體管） 是由雙極結(jié)型晶體管 （BJT） 和金屬-氧化物-半導(dǎo) 體場(chǎng)效應(yīng)晶體管 （MOSFET） 復(fù)合而成的結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

它結(jié)合了兩者的優(yōu)點(diǎn)，具有輸入阻抗高、功耗小、熱穩(wěn)定 性好、驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單、載流密度大、通態(tài)壓降低等優(yōu)勢(shì)。?

1.2 IGBT的結(jié)構(gòu)

IGBT由芯片、覆 銅陶瓷襯底、基板、 散熱器等通過(guò)焊接而 成，如圖3所示。?

1.3 IGBT的熱特性?

熱特性是IGBT功 率器件的靈魂。芯片 工作產(chǎn)生的熱量通過(guò) 不同的介質(zhì)、界面?zhèn)?遞到散熱器，將熱量 散出，傳遞路徑的熱阻用Rthjc來(lái)表示，如圖4所示。

IGBT模塊的發(fā)熱主要來(lái)源于功率損耗。功率損耗包括?IGBT損耗和FWD損耗，其又分為開(kāi)關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗，如 圖5所示。功率損耗與電流Ic、飽和壓降Vce、開(kāi)關(guān)頻率等多 因素有關(guān)。

2 IGBT可靠性要求??

2.1 IGBT模塊可靠性要求?

對(duì)于車規(guī)級(jí)IGBT模塊，由于使用環(huán)境嚴(yán)酷，工況復(fù)雜， 壽命要求高，因此對(duì)IGBT模塊性能和可靠性提出了越來(lái)越 高的要求，如圖6所示。

2.2?電控總成可靠性試驗(yàn)現(xiàn)狀?

據(jù)統(tǒng)計(jì)，IGBT損壞引起的故障占電控售后問(wèn)題的首位， 是電控總成的短板。根據(jù)“木桶”原理，解決IGBT失效問(wèn) 題對(duì)于降低電控總成失效率非常重要。但是，目前電控總 成可靠性試驗(yàn)主要參考707企標(biāo)，沒(méi)有考慮功率器件產(chǎn)品自 身發(fā)熱引起的溫度變化，也沒(méi)有考慮冷卻液循環(huán)帶來(lái)的溫 度穩(wěn)定，比較適用于低壓電氣產(chǎn)品可靠性試驗(yàn)，對(duì)功率器 件產(chǎn)品不適用。如何在電控總成試驗(yàn)中加速IGBT的老化磨 損將是我們需要重點(diǎn)研究的課題。電控問(wèn)題統(tǒng)計(jì)柏拉圖如 圖7所示。

2.3 IGBT模塊可靠性試驗(yàn)?

對(duì)于車規(guī)級(jí)IGBT模塊，AQG 324、QC/T 1136等標(biāo)準(zhǔn)對(duì) 可靠性均有相關(guān)要求。以QC/T 1136為例，IGBT模塊可靠性 包括芯片可靠性和封裝可靠性，如表1所示。

2.3.1?功率循環(huán)試驗(yàn) （主動(dòng)）?

1） 功率循環(huán)試驗(yàn)?(PCsec/PCmin)：檢驗(yàn)綁定線與芯片的 連接點(diǎn)可靠性以及芯片與DCB焊接層的可靠性。功率循環(huán)試 驗(yàn) （PCsec） 曲線如圖8所示。?

2） 功率循環(huán)?(PCmin)：檢驗(yàn)綁定線與芯片的連接點(diǎn)可靠性，芯片與DCB焊接層的可靠性以及DCB與Baseplate焊接 層的可靠性。

2.3.2?溫度循環(huán)/沖擊試驗(yàn) （被動(dòng)）?

溫度循環(huán)?(TC)：從Baseplate底部緩慢加熱整個(gè)封裝，檢 驗(yàn)具有不同熱膨脹系數(shù)的材料之間連接的可靠性。熱膨脹 系數(shù)如圖9所示。

2.4 IGBT模塊失效模式?

IGBT模塊失效主要分為機(jī)械失效和電氣失效，其中機(jī) 械失效包括綁定線、焊接層及封裝/端子的老化所造成的使 用壽命終結(jié)，其主要是由功率循環(huán)產(chǎn)生結(jié)溫變化引起。此 外，還包括過(guò)壓、過(guò)流、其它因素 （如氣候變化、化學(xué)腐 蝕） 所造成的失效，如圖10所示。

IGBT失效同樣適用可靠性“浴盆”曲線，在不同階段 呈現(xiàn)不同表現(xiàn)形式，如圖11所示。本文重點(diǎn)研究耗損失效中由于熱機(jī)械應(yīng)力導(dǎo)致的IGBT?失效，而這一部分正是IGBT耐久失效的主要原因。IGBT耗 損失效如圖12所示。?

3 IGBT使用壽命分析與評(píng)估?

3.1?研究思路?

根據(jù)IGBT失效模式可知，結(jié)溫變化是影響其使用壽命的主要因素。評(píng)估IGBT的使用壽命就需要首先獲得其在用 戶工況下的結(jié)溫曲線，然后結(jié)合IGBT功率循環(huán)壽命曲線， 應(yīng)用累積損傷理論評(píng)估IGBT的使用壽命，具體分析步驟如 圖13所示。這其中主要關(guān)鍵點(diǎn)及難點(diǎn)如下所述。

1） 用戶代表工況選取，目前采用NEDC或者CLTC工況。?

2） 工況中結(jié)溫測(cè)量和結(jié)溫曲線的獲取，實(shí)車中很難通 過(guò)布置傳感器的方案來(lái)直接獲取結(jié)溫曲線。目前有兩種可 行方法：一種是通過(guò)計(jì)算功率損耗，結(jié)合熱仿真模型獲得；另一種是通過(guò)間接的熱敏感電參數(shù)法獲取相應(yīng)的結(jié)溫曲線， 詳見(jiàn)3.3.2分析。?

3） 溫度分布：采用雨流法分析。?

4）?IGBT壽命曲線，一般由IGBT模塊廠家提供。?

5） 壽命評(píng)估，使用溫度分布數(shù)據(jù)和IGBT壽命曲線結(jié)合 損傷理論進(jìn)行壽命評(píng)估。?

3.2 IGBT結(jié)溫測(cè)試的幾種方法?

3.2.1?物理接觸測(cè)量法?

把熱敏電阻或熱電偶等測(cè)溫元器件焊接于IGBT內(nèi)部， 從而獲取模塊內(nèi)部基板的溫度。測(cè)試方便但存在較大測(cè)量 誤差，如圖14所示。

3.2.2?光學(xué)非接觸測(cè)量法?

先將IGBT模塊打開(kāi)， 除去透明硅脂，然后將IG－?BT芯片表面涂黑，以提高 溫度測(cè)量準(zhǔn)確性，最后通 過(guò)熱像儀等采用紅外熱成像 方法測(cè)試結(jié)溫。屬于破壞性 測(cè)量方法，如圖15所示。3.2.3?熱敏感電參數(shù)法 利用半導(dǎo)體功率器件內(nèi)部微觀物理參數(shù)與器件溫度具 有一一對(duì)應(yīng)的映射關(guān)系，將芯片本身作為溫度傳感部件， 將其自身難測(cè)的內(nèi)部溫度信息反映在模塊外部易測(cè)的電氣 信號(hào)上，對(duì)芯片結(jié)溫進(jìn)行逆向提取，如圖16所示。

3.3?試驗(yàn)方案?

3.3.1?任務(wù)曲線建立?

為了保證IGBT模塊使用壽命的可比性，通常采用標(biāo)準(zhǔn) 的駕駛循環(huán)作為基本工況。國(guó)內(nèi)一般采用NEDC?（New Eu－?ropean Driving Cycle，新標(biāo)歐洲循環(huán)測(cè)試） 或CLTC?（China Light-duty Vehicle Test Cycle，中國(guó)輕型汽車行駛工況） 作 為基本工況。以CLTC工況為例，采集電機(jī)控制器在此工況 下的電壓電流值，如圖17所示。

3.3.2?結(jié)溫曲線?

本文采用熱敏感電參數(shù)法反推獲得IGBT模塊在CLTC工 況下的結(jié)溫曲線。?

1） 溫度系數(shù) （K-factor） 測(cè)試?

參考JESD51-1?《集成電路熱測(cè)試方法》 測(cè)試K系數(shù)。測(cè) 試步驟如下：設(shè)定好溫度環(huán)境TL0，當(dāng)器件外殼溫度穩(wěn)定時(shí) 給IGBT模塊施加小電流 （10mA） 記錄集電極和發(fā)射極間壓 降大小VL0，然后將環(huán)境溫度升高到THi，按上述要求記錄此 時(shí)壓降。兩次溫度值的差值除以電壓差值即為K系數(shù)。

通過(guò)Power Tester 1800A功率循環(huán)測(cè)試儀測(cè)試K系數(shù) （圖18），結(jié)果如下：K-Factor：-2.694mV/℃。

2） 瞬態(tài)熱測(cè)試 （負(fù)載）?

測(cè)試原理圖如圖19所示。根據(jù)任務(wù)曲線得到的負(fù)載電 流，基于能量守恒，采用MATLAB軟件將電流譜處理成300?個(gè)恒定電流值便于實(shí)際加載測(cè)試。測(cè)試方法如下：①在IG－?BT Gate上加上15V電壓，使Gate完全打開(kāi)，在CE之間用大 電流加熱，使之達(dá)到熱平衡；②在器件達(dá)到熱平衡之后， 瞬間從大電流切換到小電流 （10mA），測(cè)量壓降Vce；③測(cè)試 結(jié)果如圖20所示，根據(jù)K系數(shù)中結(jié)溫與Vce的之間的關(guān)系，得 出CLTC工況下的結(jié)溫曲線，如圖21所示。

3.3.3?溫度分布 （ΔT）?

Ncode雨流分析流程如圖22所示。為了將任務(wù)曲線引起 的結(jié)溫變化與功率循環(huán)壽命曲線進(jìn)行比較，采用雨流計(jì) 數(shù)法統(tǒng)計(jì)不同結(jié)溫變化ΔT出現(xiàn)的頻次。溫度分布ΔT如圖?23所示。

3.3.4?功率循環(huán)壽命曲線?

研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度變化過(guò)程中的最高結(jié)溫小于120℃時(shí)， 可以利用Coffin-Manson模型進(jìn)行預(yù)測(cè)，該模型被廣泛用于描 述半導(dǎo)體模塊PC過(guò)程的失效規(guī)律。后經(jīng)Arrhenuis修正，將 平均結(jié)溫Tjm納入考核范圍，得到LESIT模型：

隨著封裝技術(shù)的改進(jìn)，IGBT模塊的壽命有了很大提高。焊 料層疲勞成為與鍵合線同等重要的失效機(jī)制。2008年Bayerer?考慮到功率循環(huán)試驗(yàn)中溫度波動(dòng)范圍、最大結(jié)溫Tjmax、模塊 鍵合線直徑D、直流端電流i、阻斷電壓V等因素都會(huì)對(duì)器件 壽命造成影響，得到了CIPS多參數(shù)模型：

通過(guò)功率循環(huán)試驗(yàn)確定模型參數(shù)，繪制如圖24所示的 功率循環(huán)壽命曲線。

3.3.5?IGBT壽命評(píng)估?

根據(jù)溫度分布ΔT，并參考功率循環(huán)壽命曲線，將一個(gè) 駕駛循環(huán)中所有ΔT下的損傷相對(duì)其出現(xiàn)的頻次加權(quán)求和， 可得到一個(gè)駕駛循環(huán)下的累積損傷。該累積損傷的倒數(shù)即 是功率模塊的使用壽命，即：

式中：ni?———在一個(gè)駕駛循環(huán)中，ΔTj出現(xiàn)的次數(shù)；Ni?———在功率循環(huán)壽命曲線中，ΔTj?對(duì)應(yīng)的循環(huán)次數(shù)；Nf?——— 功率模塊使用壽命。?

通常整車的使用壽命是30萬(wàn)公里，一個(gè)CLTC的行駛里 程大約是14.48km，則整車至少需要運(yùn)行20718個(gè)CLTC才滿 足壽命要求，通過(guò)計(jì)算Nf =13973605，遠(yuǎn)大于20718，滿足整 車的使用壽命要求。?

4 電控總成IGBT加速試驗(yàn)?

既然IGBT失效占電控總成失效的絕大多數(shù)，那么電控總 成試驗(yàn)中IGBT的考核是否足夠？如何進(jìn)行IGBT加速試驗(yàn)?zāi)兀?

通過(guò)上述分析可知，IGBT模塊的結(jié)溫變化是影響其工 作壽命與可靠性的主要因素。因此在總成試驗(yàn)中，結(jié)溫變 化的幅度和頻次將直接影響其使用壽命。以冷熱沖擊試驗(yàn) 為代表的被動(dòng)“功率循環(huán)試驗(yàn)”將是一個(gè)很好的試驗(yàn)方案。?

由于該試驗(yàn)工作模式1.1，屬于被動(dòng)加熱引起的結(jié)溫變 化，其中ΔT=125℃、N0=215次，遠(yuǎn)低于行標(biāo)要求。根據(jù)IG－?BT熱循環(huán)壽命曲線 （圖25），當(dāng)ΔT=125℃時(shí)壽命循環(huán)數(shù)N1約?3000次，故冷熱沖擊試驗(yàn)考核僅占全壽命周期的7.2%，屬 于考核偏弱，可適當(dāng)增加循環(huán)數(shù)或加大溫度變化范圍，如 表2所示。

此外，通過(guò)分析NEDC或CLTC等駕駛工況可知，主動(dòng) “功率循環(huán)”產(chǎn)生的結(jié)溫變化頻次較多，但幅度偏小。以?CLTC工況為例，根據(jù)3.3.3雨流分析結(jié)果可知ΔTmax=25℃，根 據(jù)IGBT壽命曲線則需要至少107循環(huán)數(shù)。在兼顧其它部件的 考核基礎(chǔ)上合理修正工況，如增加啟停或急加/減速工況也 是一種可行的加速試驗(yàn)方案。?

5 總結(jié)??

本文通過(guò)介紹IGBT模塊的結(jié)構(gòu)、失效模式等說(shuō)明熱疲 勞是影響IGBT使用壽命的主要因素。并基于此建立了IGBT?使用壽命評(píng)估方法，將整車設(shè)計(jì)壽命與IGBT使用壽命結(jié)合 起來(lái)，從而能夠從行駛里程的角度快速評(píng)估IGBT功率模塊 是否能夠滿足整車使用壽命的要求。此外，針對(duì)電控總成 的試驗(yàn)現(xiàn)狀，提出在總成級(jí)試驗(yàn)中進(jìn)行IGBT加速試驗(yàn)的可行性。對(duì)于主動(dòng)“功率循環(huán)”試驗(yàn)，如何優(yōu)化試驗(yàn)工況， 提升ΔTmax進(jìn)行加速試驗(yàn)還需要進(jìn)一步研究。當(dāng)前以SiC和?GaN為代表的第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料開(kāi)始逐漸應(yīng)用在新能 源汽車上，其可靠性也將是我們后續(xù)關(guān)注的方向。

來(lái)源：《汽車電器》2023 年第 2 期

審核編輯：湯梓紅