汽車IGBT模塊功率循環(huán)壽命研究

恒定電流 IC 試驗(yàn)?zāi)Ｊ郊礊樵谠囼?yàn)過程中，Ton, Toff,IC 全部保持不變。在試驗(yàn)開始的時候通過前期調(diào)整使Ton, Toff, IC 滿足設(shè)定的ΔTj 的要求，在試驗(yàn)過程中不再對這些參數(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 越來越大。對于汽車用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 汽車模塊標(biāo)準(zhǔn)也做了同樣的規(guī)定說明。

3.1.3 熱敏系數(shù)測試

在進(jìn)行功率循環(huán)前，試驗(yàn)人員需要對 IGBT 模塊進(jìn)行熱敏系數(shù)（也稱 K 系數(shù)）的測量。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)示意圖見圖 5。試驗(yàn)過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)，無實(shí)際物理意義。

對于功率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 ΔTj, Tjm, IC3 個加速因子進(jìn)行拉偏試驗(yàn)，當(dāng)對一個參數(shù)進(jìn)行拉偏時，其他 2 個參數(shù)保持一致。拉偏方案具體見表 1~表 3。為滿足設(shè)定的條件，可以適當(dāng)調(diào)整 IGBT 柵極電壓 VGE 和關(guān)斷時間 Toff。

對于壽命分布的統(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，忽略了其失效的過程細(xì)節(jié)。在做壽命分布的時候需要大量的樣本才能獲取比較準(zhǔn)確的壽命值，通常需要單個試驗(yàn)拉偏條件大于 10只的樣本數(shù)量，這無疑需要巨大的經(jīng)濟(jì)成本和時間成本。針對汽車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用半橋 IGBT 模塊，其一個橋臂有 144 個鍵合點(diǎn)，即每只模塊可視為144 個樣本子樣，因此可以通過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)成本和時間成本，同時能夠更準(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，每次鍵合點(diǎn)的脫落，IGBT 模塊的壓降VCE(on)會明顯增大，形成一個明顯的臺階，可以方便試驗(yàn)人員對鍵合點(diǎn)脫落時對應(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，每個鍵合點(diǎn)的脫落會產(chǎn)生一個相對固定的 ΔVCE(on)。當(dāng)鍵合點(diǎn)脫落數(shù)量達(dá)到一定數(shù)量后，每個鍵合點(diǎn)脫落會導(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)來減小統(tǒng)計(jì)誤差。每個壓降突變處鍵合點(diǎn)的脫落數(shù)量可以近似計(jì)算為

式中：V2 為臺階上沿值；V1 為臺階下沿值；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，芯片的溫度也會大幅增加，IGBT芯片通常為正溫度系數(shù)，可對式(4)進(jìn)行系數(shù)修正，每個壓降突變處鍵合點(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)對應(yīng)的鍵合點(diǎn)脫落數(shù)量，如圖 8 所示（圖中點(diǎn)的個數(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 對鍵合點(diǎn)壽命的影響相對較小，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

本文基于汽車 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)模型等多個角度進(jìn)行闡述，針對汽車 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)省巨大的時間成本和經(jīng)濟(jì)成本 , 并提升壽命評價(jià)的準(zhǔn)確性，具有很好的工程應(yīng)用價(jià)值。