如何進行準(zhǔn)確的IGBT模塊壽命評估呢？

IGBT廣泛應(yīng)用于各類電力電子設(shè)備中，其可靠性一直都是制造商和用戶重點關(guān)注的問題。為了滿足高可靠性的應(yīng)用需求，模塊供應(yīng)商在持續(xù)不斷地通過改進設(shè)計、應(yīng)用新材料、升級生產(chǎn)工藝來提升可靠性。而用戶更為關(guān)注的是在特定的應(yīng)用條件下IGBT模塊的壽命是否滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。那么應(yīng)該如何進行準(zhǔn)確的IGBT模塊壽命評估呢？下面我們對這一問題做詳細介紹。

1. IGBT模塊老化機理

在系統(tǒng)應(yīng)用中，影響IGBT模塊壽命的因素有電氣負荷與環(huán)境條件（溫度，濕度，灰塵，宇宙射線，機械振動等）。

環(huán)境因素的影響，不同場合的應(yīng)用差異可能非常大，具有不確定性?，F(xiàn)有研究主要關(guān)注IGBT模塊在運行過程中自身溫度變化對壽命的影響。由于IGBT模塊是由多種材料組成，這些材料具有不同的CTE（熱膨脹系數(shù)）。IGBT運行產(chǎn)生的溫度波動會在相鄰層產(chǎn)生熱機械應(yīng)力，這種熱機械應(yīng)力是IGBT模塊中材料疲勞老化進而失效的根本原因。典型的失效點包括：綁定線根部，芯片金屬化層，以及DCB與芯片或銅基板之間的焊接層。

1.1 綁定線疲勞

在反復(fù)的熱機械應(yīng)力的沖擊下，IGBT模塊內(nèi)部綁定線會產(chǎn)生疲勞現(xiàn)象。圖1（a）展示了綁定線根部開裂的失效模式，圖1（b）中的綁定線已經(jīng)完全從IGBT芯片上脫落。在大電流IGBT模塊中，一般會使用多根綁定線并聯(lián)來分擔(dān)電流，單根綁定線的失效會造成其他并聯(lián)的綁定線承受更大的電流。根據(jù)P=I ^2^ *R，其他綁定線上的損耗也會隨之增加，導(dǎo)致更大的熱機械應(yīng)力從而隨之失效。綁定線疲勞的另一個后果是隨著接觸電阻和損耗的增加而導(dǎo)致IGBT或二極管芯片過熱失效。

圖1 綁定線典型失效形態(tài)

1.2 芯片金屬化層重構(gòu)

在IGBT和二極管芯片上都有鋁金屬化層來實現(xiàn)與DCB（陶瓷基板）及綁定線的連接。在熱機械應(yīng)力的作用下，該金屬層會出現(xiàn)鋁晶粒擠出現(xiàn)象。圖2（a）中紅圈中的黑色區(qū)域即是這一現(xiàn)象在光學(xué)鏡頭下的體現(xiàn)。而圖2（b）則給出了同一芯片的金屬化層在經(jīng)歷數(shù)萬次功率循環(huán)前后的微觀對比。

金屬化層的重構(gòu)不但會造成本身層電阻增加而導(dǎo)致同樣導(dǎo)通電流下的VCE上升，還有可能造成有效的芯片元胞和導(dǎo)通面積減少，從而產(chǎn)生局部的熱點或燒熔。

圖2 芯片金屬化層重構(gòu)

1.3 焊接層退化

在模塊內(nèi)部，芯片與DCB（陶瓷基板）、DCB與銅基板之間一般通過焊接的方式實現(xiàn)連接，長期的熱機械應(yīng)力會導(dǎo)致焊接層的脆化或開裂（參見圖3）。同時焊料與銅層之間形成的合金（Cu5Sn 6 ）同樣可能開裂。

圖3 焊接層開裂SEM圖

另一種常見的焊接層退化的表現(xiàn)形式是焊料中空洞的形成（參見圖4），這會影響到工作中芯片產(chǎn)生的熱量向外界傳遞的效率，長期作用下會導(dǎo)致芯片過熱失效。

圖4 功率循環(huán)前后的焊接層超聲掃描

2. IGBT模塊的功率循環(huán)能力

功率循環(huán)測試可以加速模擬IGBT模塊在實際工作中可能承受的熱機械應(yīng)力，目前被各IGBT模塊生產(chǎn)廠商采用以驗證新產(chǎn)品的可靠性。賽米控研發(fā)的每款I(lǐng)GBT模塊在正式發(fā)布之前都要通過各種嚴(yán)苛的內(nèi)外部認(rèn)證測試，其中功率循環(huán)測試是必不可少的一項，而功率循環(huán)曲線則是計算模塊壽命的基本條件之一，下面我們就針對這兩點做詳細介紹。

2.1 功率循環(huán)測試方法

測試的電氣連接如圖5所示。測試時先給待測模塊接通一個大電流負載I load ，待芯片結(jié)溫上升到設(shè)定值T j（max） 后斷開I load ，然后采用小電流Imeasure下的VCE測試電壓結(jié)合已校準(zhǔn)的VCE和Tj曲線來確認(rèn)結(jié)溫，并通過外部散熱快速冷卻降低芯片結(jié)溫至設(shè)定值T j(min) ，斷開測試小電流I measure ，再次接通Iload并重復(fù)以上過程。

圖5 功率循環(huán)測試示意圖

2.2 功率循環(huán)測試參數(shù)設(shè)置

在功率循環(huán)測試中，結(jié)溫波動幅度（ΔT j =T j,max –T j,min ）是對最終循環(huán)次數(shù)影響最大的變量。結(jié)溫波動越大，對于模塊內(nèi)部各層施加的熱機械應(yīng)力越嚴(yán)酷，在失效前模塊能夠完成的循環(huán)次數(shù)越少。為保證新產(chǎn)品的認(rèn)證測試效率，一般生產(chǎn)廠商會選取較大波動值如ΔT j =100K或ΔT j =70K進行功率循環(huán)測試。

在同樣結(jié)溫波動條件下，循環(huán)測試中的平均結(jié)溫T m =T j,min +ΔT j /2的設(shè)置對于功率循環(huán)次數(shù)也有重要影響。在ΔTj一定的條件下，平均結(jié)溫越高，則模塊失效前能完成的循環(huán)次數(shù)越少。

另一個比較重要的參數(shù)是每個循環(huán)中大電流負載Iload的持續(xù)時間T on 。Ton時間越長，則每個周期模塊各連接層承受的熱機械應(yīng)力更大，模塊失效前能完成的循環(huán)次數(shù)越少。各個廠商對此參數(shù)設(shè)置不盡相同。

** 2.3 **功率循環(huán)測試完成標(biāo)準(zhǔn)

上文提到，持續(xù)的熱機械應(yīng)力會造成綁定線脫落、芯片金屬化層重構(gòu)及焊接層性能退化等問題，而這些問題會導(dǎo)致模塊飽和壓降和熱阻上升，最終反映到結(jié)溫的異常升高。在測試過程中一旦模塊熱阻Rth或是飽和壓降VCE增大20%，則判斷為模塊失效，功率循環(huán)測試完成。圖6是賽米控某款I(lǐng)GBT模塊的功率循環(huán)測試結(jié)果。

圖6 功率循環(huán)測試結(jié)果

2.4 功率循環(huán)壽命曲線

20世紀(jì)90年代，瑞士政府資助蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院進行了一項針對IGBT模塊的壽命預(yù)測項目。該項目對來自歐洲和日本多個廠商的IGBT模塊進行了大量的研究和功率循環(huán)試驗，確定了結(jié)溫波動對于IGBT模塊壽命的影響，并于1997年公布了初版的LESIT功率循環(huán)曲線。

圖7 LESIT壽命曲線

該曲線實際上描述了不同結(jié)溫波動條件下模塊失效前所能完成的功率循環(huán)次數(shù)，不同平均結(jié)溫Tm對應(yīng)不同曲線。該壽命曲線可用以下方程式表達：

LESIT功率循環(huán)曲線發(fā)布之后的數(shù)年間，IGBT模塊的材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計和生產(chǎn)方法都取得了快速進步，這些發(fā)展對于可靠性和壽命都有實質(zhì)性的提升。在2009年，賽米控基于LESIT曲線并結(jié)合自身模塊技術(shù)特點發(fā)布了兩款改進版的功率循環(huán)壽命曲線，分別為標(biāo)準(zhǔn)模塊功率循環(huán)壽命曲線（圖8）和先進模塊功率循環(huán)壽命曲線（圖9）。

圖8 標(biāo)準(zhǔn)模塊功率循環(huán)壽命曲線

圖9 先進模塊功率循環(huán)壽命曲線（采用優(yōu)化的綁定線設(shè)計或銀燒結(jié)技術(shù)）

3. 不同應(yīng)用中的****IGBT模塊壽命計算

**3.1 **負載簡單變化應(yīng)用中的壽命計算

對于大多數(shù)常規(guī)的工業(yè)應(yīng)用，使用賽米控的熱仿真軟件SEMISEL并結(jié)合相應(yīng)的功率循環(huán)曲線就可以進行簡單的壽命計算。這種計算只考慮每個負載周期中最大的溫度波動，忽略較小的溫度波動。下面舉例說明：

某三相電機傳動項目中每10秒會出現(xiàn)5秒的2倍過載，之后恢復(fù)至額定負載并持續(xù)5秒。該項目選用了賽米控的模塊SEMiX453GB12E4s。在SEMISEL中基本參數(shù)及負載曲線設(shè)置如圖10所示。

圖10 SEMISEL仿真參數(shù)設(shè)置

啟動仿真后，在結(jié)果頁會直觀顯示結(jié)溫波動曲線及芯片結(jié)溫具體值（圖11）。計算出該應(yīng)用的平均結(jié)溫T jm =112.5°C及結(jié)溫波動ΔT j =27°C。

圖11 SEMISEL仿真結(jié)果

將T jm =112.5°C及ΔT j =27°C代入賽米控先進模塊功率循環(huán)壽命曲線（圖12），可知該應(yīng)用中IGBT模塊的壽命約為1500萬次。

圖12 利用功率循環(huán)曲線估算IGBT壽命

3.2 復(fù)雜負載條件下的壽命計算

在電梯、電動汽車以及風(fēng)力發(fā)電等應(yīng)用中，負載會快速且無規(guī)律的變化。以下圖為例：

圖13 復(fù)雜負載條件任務(wù)曲線

在這種電流、電壓、基頻甚至是開關(guān)頻率同時變化的工況下，需要使用SEMISEL或其他專業(yè)熱仿真軟件對每個工作點進行仿真，計算出功耗并精確使用熱阻（或熱阻抗）得到每個周期中溫度波動曲線，即將任務(wù)曲線轉(zhuǎn)化為溫度曲線。

圖14 復(fù)雜負載條件結(jié)溫波動曲線

可以看到，在基頻較低的工況下會發(fā)生數(shù)次較大結(jié)溫波動；而在基頻較高的工況下會有大量小結(jié)溫波動發(fā)生。對于這種大小波動重疊在一起的溫度曲線，目前比較通用的方法是采用雨流算法（Rain flow）將其分解簡化為若干個具有不同波動幅度的負載循環(huán)，如下圖15所示。

圖15 雨流算法簡化溫度波動

將雨流算法簡化后的不同溫度波動通過對應(yīng)模塊的壽命曲線進行計算，可以得到指定任務(wù)周期的循環(huán)次數(shù)。

需要注意的是，上面這個例子重點是介紹如何使用雨流算法計算復(fù)雜工況下的IGBT壽命，圖13中溫度曲線與圖15中簡化曲線與并無直接對應(yīng)關(guān)系。