功率循環(huán)對IGBT 壽命的影響——準(zhǔn)確估算功率器件的壽命

內(nèi)容摘要

供應(yīng)商們正在努力提高絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)、Si和SiC MOSFET以及其他功率器件的最大功率水平和電流負(fù)載能力，并同時保持高質(zhì)量a和可靠性。新技術(shù)隨著創(chuàng)新而紛紛涌現(xiàn)，例如改進(jìn)了導(dǎo)熱性的陶瓷基板、用于取代粗封裝鍵合線的帶式鍵合，以及用于增強模塊循環(huán)功能的無焊芯片貼裝技術(shù)。因為市場提供了芯片、所需的直接覆銅 (DBC) 基板以及各種不同的芯片貼裝材料，最終用戶也可以設(shè)計和制造功率模塊。這為機械設(shè)計提供了更高的靈活性，但也帶來了嚴(yán)峻的熱和可靠性挑戰(zhàn)，因為功率模塊通常用于混動和電動汽車 (EV) 等領(lǐng)域，高可靠性至為重要。

——約翰·帕里 (John Parry)

運行過程中產(chǎn)生的高結(jié)溫和高溫度梯度會引起機械應(yīng)力，尤其是在具有不同熱膨脹系數(shù)的材料之間的接觸面上，這可能導(dǎo)致這些器件性能退化甚至完全失效。為避免過早失效，需要恰當(dāng)?shù)剡x擇熱設(shè)計和材料。

Simcenter POWERTESTER硬件是Siemens Xcelerator這一全面、集成式軟硬件和服務(wù)產(chǎn)品組合的一部分，旨在實現(xiàn)零件可靠性評估流程的自動化，以便正確估算功率模塊的使用壽命，識別可在開發(fā)過程中消除的弱點，從而提高可靠性和使用壽命。本文詳細(xì)說明了如何將Simcenter POWERTESTER應(yīng)用于各包含兩個半橋的四個中等功率IGBT模塊，展示了通過器件自動功率循環(huán)獲得的豐富數(shù)據(jù)。本文摘錄自參考文獻(xiàn)部分所列的兩篇技術(shù)論文。

這些模塊固定在集成于Simcenter POWER TESTER中的液冷冷卻板上，采用一塊高導(dǎo)熱墊片來盡量減小界面熱阻。在整個實驗過程中，使用由Simcenter POWERTESTER控制的冷卻循環(huán)器將冷卻板溫度保持在25攝氏度 (°C)。器件的柵極連接到器件的漏極（即所謂的“放大二極管設(shè)置”），同時各個半橋使用單獨的驅(qū)動電路供電。兩個電流源分別連接到相應(yīng)的半橋。使用一個可以快速開關(guān)的高電流源對這些器件施加階躍式功率變化。使用一個低電流源為IGBT提供連續(xù)偏置電源，以測量器件溫度。

Simcenter T3STER Master：累積結(jié)構(gòu)函數(shù)

圖1.樣品0的結(jié)構(gòu)函數(shù)，對應(yīng)于不同時間點的控制測量值。

在第一組測試中，我們采用恒定的加熱和冷卻時間分別測試了四個樣品。選擇加熱和冷卻時間以產(chǎn)生100°C左右的初始溫度波動，功率為約200瓦特(W)，加熱時間為3秒，冷卻時間為10秒。這樣可以更貼切地模擬應(yīng)用環(huán)境，其中熱結(jié)構(gòu)的性能退化會導(dǎo)致更高的結(jié)溫，進(jìn)而加快器件老化。在這四個器件中，樣品 3 在經(jīng)過10000次循環(huán)后便失效，遠(yuǎn)早于其他樣品。樣品0、1和2堅持的時間較長，分別在經(jīng)過40660、41476 和 43489次功率循環(huán)后失效。圖1說明了通過瞬態(tài)熱測試（每隔5000次循環(huán)對樣品0執(zhí)行一次測量）生成的結(jié)構(gòu)函數(shù)。0.08瓦特 x 秒/開爾文 (Ws/K) 處的平坦區(qū)域?qū)?yīng)于芯片貼裝。從中可以發(fā)現(xiàn)，該結(jié)構(gòu)在15000次循環(huán)之前保持穩(wěn)定，但在該點之后，隨著熱阻的持續(xù)增大，可以明顯觀察到芯片貼裝性能的退化，直至器件失效。導(dǎo)致器件失效的直接原因仍舊不明，但我們發(fā)現(xiàn)，柵極和發(fā)射極之間形成了短路，而且在芯片表面上可以看到一些焦斑。

Simcenter T3STER Master：累積結(jié)構(gòu)函數(shù)

圖2.IGBT1在功率循環(huán)期間的結(jié)構(gòu)函數(shù)變化。

第二組測試使用完全相同的樣品，但采用由SimcenterPOWERTESTER支持的不同功率策略。在本例中，我們對IGBT1保持恒定的電流，對IGBT2保持恒定的加熱功率，對IGBT3保持恒定的結(jié)溫變化。為確保公平比較，選擇的設(shè)置可為所有器件提供相同的初始結(jié)溫溫升，即對測試中選擇的每個器件施加3秒加熱時間和17秒冷卻時間，以及約240W的初始加熱。對每個器件分別測量所有循環(huán)中的完整加熱和冷卻瞬態(tài)變化，并用Simcenter POWERTESTER硬件持續(xù)監(jiān)測以下電學(xué)參數(shù)和熱學(xué)參數(shù)：

開啟加熱電流時的器件電壓，Von

上一循環(huán)中施加的加熱電流，ICycle

功率階躍，P

關(guān)閉加熱電流后的器件電壓，Vhot

開啟加熱電流前的器件電壓，Vcold

上一功率循環(huán)期間的最高結(jié)溫，Thot

上一功率循環(huán)期間的最低結(jié)溫，Tcold

上一循環(huán)中的溫度波動，ΔT

由加熱功率歸一化處理的溫度變化，ΔT/P

此外，在250次循環(huán)后，使用10A加熱電流測量從通電穩(wěn)態(tài)到斷電穩(wěn)態(tài)之間的全程熱瞬態(tài)變化，以創(chuàng)建結(jié)構(gòu)函數(shù)來研究熱累積中的任何性能退化。同樣，持續(xù)進(jìn)行實驗，直到所有IGBT失效。

不出所料，IGBT1先失效，因為在零件退化過程中沒有對施加的功率做任何調(diào)節(jié)。有趣的是，在圖2所示的熱結(jié)構(gòu)中，它沒有顯示出任何退化。

為查明器件失效原因，我們必須仔細(xì)檢查實驗期間器件電壓的演變。在圖3 中，可將IGBT1在加熱電流水平下的正向電壓視為經(jīng)歷的功率循環(huán)次數(shù)的函數(shù)。在前3000次循環(huán)中，可以觀察到電壓處于下降趨勢。

圖3.IGBT1在加熱電流水平下的正向電壓與已應(yīng)用的功率循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系。

這一初始變化由平均器件溫度的緩慢變化（降低了近5°C）引起。盡管器件電壓在低電流時呈負(fù)溫度相關(guān)，但在高電流水平下，正向電壓的溫度相關(guān)性變?yōu)檎嚓P(guān)。在經(jīng)過約35000次循環(huán)后，這一趨勢發(fā)生了變化，電壓開始緩慢升高。之后，器件電壓出現(xiàn)階躍式變化，同時上升趨勢持續(xù)加快，直至器件失效。由于結(jié)構(gòu)未發(fā)生變化，電壓的增大可歸因于封裝鍵合線的退化。這也解釋了在封裝鍵合線最終脫落時電壓出現(xiàn)的階躍式變化。

電壓階躍高度的持續(xù)增加是因為隨著封裝鍵合線數(shù)量的減少，封裝鍵合線熱阻的并聯(lián)電阻之和在不斷增大。如果我們使用恒定電流策略，封裝鍵合線斷裂會提高剩余鍵合線中的電流密度并加速老化。

圖4顯示了對應(yīng)于IGBT3的同類型曲線。在此，器件電壓的增長趨勢甚至更早開始，但由于要通過調(diào)節(jié)以保持結(jié)溫恒定，加熱電流已按比例降低。電流的降低減少了鍵合線的負(fù)載，延長了測得的壽命。

圖4.IGBT3在加熱電流水平下的正向電壓與已應(yīng)用的功率循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系。

結(jié)語

進(jìn)行的兩組實驗展示了不同的失效模式，說明了不同的功率策略以及可能不同的電氣設(shè)置如何影響失效模式。第一組實驗采用恒定循環(huán)時間，更貼切地反映了運行應(yīng)用情況，證實了Simcenter POWERTESTER能夠快速檢測出器件結(jié)構(gòu)（包括芯片貼裝和其他受損層）內(nèi)出現(xiàn)的退化現(xiàn)象。

第二組實驗清晰地表明，當(dāng)觀察到器件正向電壓出現(xiàn)階躍式增加時，封裝鍵合線發(fā)生了退化。但在使用這些功率選項（恒定電流、恒定加熱功率和恒定溫升）時，所有測試樣品的熱結(jié)構(gòu)都未發(fā)生變化。鑒于樣品數(shù)量較少，我們只能做出比較保守的結(jié)論。然而，這些實驗警示我們，測量結(jié)果可能因循環(huán)策略而異，而且基于特定策略的壽命預(yù)測可能會高估功率器件的實際使用壽命。