多芯并聯(lián)封裝IGBT的缺陷以及失效先導(dǎo)的判據(jù)

（文章來(lái)源：電氣新科技）
絕緣柵雙極晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）是由雙極型三極管（Bipolar Junction Transistor, BJT）和絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件，兼有MOSFET的高輸入阻抗和電力晶體管（Giant Transistor, GTR）的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。

IGBT模塊內(nèi)部封裝了多只IGBT和二極管芯片，芯片間通過鍵合線連接并匯流到模塊端子。實(shí)際應(yīng)用中，芯片的性能差異會(huì)逐漸累積放大并最終導(dǎo)致通流、耐壓、傳熱等特性異常，外在表現(xiàn)為器件功能性降級(jí)或失效。IGBT模塊安全可靠運(yùn)行的前提是預(yù)防、檢測(cè)以及執(zhí)行保護(hù)措施。由于IGBT模塊特別是高壓大功率模塊工作條件惡劣、運(yùn)行參數(shù)復(fù)雜、系統(tǒng)雜散參數(shù)多變，IGBT的缺陷診斷遇到很大障礙，且模塊內(nèi)部不易放入測(cè)量裝置，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)雜散參數(shù)幾乎不可實(shí)現(xiàn)。IGBT的失效主要有過電壓失效、過電流失效、功率或溫度循環(huán)失效。

過電壓失效產(chǎn)生的主要原因是VCE過電壓、柵極過電壓、浪涌電壓以及靜電等因素；過電流失效主要與短路、散熱不良、開關(guān)頻率驟變有關(guān)；功率或溫度循環(huán)失效主要是溫度變化較快導(dǎo)致的。這些失效廣泛存在于IGBT的應(yīng)用場(chǎng)合，器件整體失效表現(xiàn)較為明顯，但是內(nèi)部芯片部分失效或缺陷卻難以觀測(cè)。

由于大功率IGBT模塊制程和封裝具有很高的技術(shù)要求，模塊內(nèi)部特性參數(shù)作為廠家的技術(shù)核心，不會(huì)公布較多細(xì)節(jié)。從模塊內(nèi)部芯片和焊接線的保護(hù)方案，廠家都沒有提供。另外，大功率IGBT應(yīng)用條件復(fù)雜，工作特性體現(xiàn)較大的多樣性，器件廠家和系統(tǒng)供應(yīng)商一般只給出通常應(yīng)用系統(tǒng)級(jí)的保護(hù)措施，無(wú)法給出一種適合裝置系統(tǒng)和器件本體的保護(hù)方案。

北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院的研究人員提出了一種對(duì)IGBT模塊本體做出器件級(jí)的保護(hù)的先導(dǎo)判據(jù)，通過辨識(shí)模塊內(nèi)部芯片和連線的寄生參數(shù)，找出雜散參數(shù)變化導(dǎo)致的外特性改變，從而提早發(fā)現(xiàn)IGBT的缺陷和失效風(fēng)險(xiǎn)。構(gòu)建了多芯片并聯(lián)封裝IGBT模塊內(nèi)部雜散參數(shù)的柵源通道回流數(shù)學(xué)模型，分析了鍵合線參數(shù)、芯片布局、柵源電容與門極電阻等影響因子對(duì)先導(dǎo)判據(jù)的影響，利用最小二乘法對(duì)上述雜散參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)，達(dá)到通過外特性準(zhǔn)確反映內(nèi)部參數(shù)的變化特性，最終實(shí)現(xiàn)IGBT模塊內(nèi)部缺陷與失效的前期判定。

研究人員通過仿真和實(shí)驗(yàn)，比對(duì)不同故障下的雜散參數(shù)變化分布情況，驗(yàn)證了該方法對(duì)英飛凌高壓大功率IGBT內(nèi)部故障類型與故障程度判斷的有效性。

芯片故障時(shí)輸入電容參數(shù)減小，柵極電阻和雜散電感參數(shù)增大。當(dāng)柵極電阻與雜散電感參數(shù)增加10%以上，輸入電容參數(shù)減小10%以上時(shí)，說(shuō)明內(nèi)部鍵合線多數(shù)脫落或斷裂，也可能是IGBT元胞芯片自身故障，系統(tǒng)故障隨時(shí)發(fā)生，器件應(yīng)當(dāng)立即維修或更換。當(dāng)柵極電阻與雜散電感參數(shù)增加小于10%，而輸入電容參數(shù)變化不大（不超過2%）時(shí)，說(shuō)明內(nèi)部可能發(fā)生了少量鋁鍵合線的故障，系統(tǒng)有故障風(fēng)險(xiǎn)，器件本體應(yīng)當(dāng)降級(jí)運(yùn)行或者維修。
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