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文擬在不破壞模塊封裝的前提下，通過對功率器件老化特性的測試分析，探究IGBT器件在第3階段失效機(jī)理過程和特征參數(shù)變化。研究IGBT疲勞失效機(jī)理、可靠性和各種外部加載條件對IGBT可靠性的影響程度，揭示影響功率器件可靠性和使用壽命的主要因素。
1. 模塊失效機(jī)理
隨著裝機(jī)容量、電流和開關(guān)頻率的增加導(dǎo)致實(shí)際工作結(jié)點(diǎn)溫度升高，而功率器件的性能和壽命與該器件實(shí)際工作結(jié)點(diǎn)溫度密切相關(guān)。高結(jié)點(diǎn)溫度在通過模塊時(shí)，由于材料膨脹系數(shù)(CTE)不同產(chǎn)生熱應(yīng)力，當(dāng)模塊長期工作在熱循環(huán)沖擊下導(dǎo)致材料疲勞和老化，最終導(dǎo)致模塊失效如鋁引線、焊接層斷裂或脫落。
圖1 IGBT模塊失效機(jī)理
圖2 層間CTE差值及每層CTE值
2. 老化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)
2.1老化實(shí)驗(yàn)方案
本文通過對11對半橋IGBT模塊串聯(lián)進(jìn)行重復(fù)的導(dǎo)通和關(guān)斷過程，以實(shí)現(xiàn)IGBT加熱和冷卻，為了使得在功率循環(huán)中每個(gè)模塊的沖擊條件相同，因此將測試模塊進(jìn)行串聯(lián)。IGBT芯片在導(dǎo)通后因?yàn)楣氖沟媒Y(jié)點(diǎn)溫度Tj上升，而在控制模塊關(guān)斷后通過水冷的方式使得IGBT模塊迅速降溫，以縮短功率循環(huán)的周期，該循環(huán)過程稱為功率循環(huán)。在老化實(shí)驗(yàn)過程中，假定Si芯片本身不存在老化即在同等工作條件下芯片自熱的Tj相同，不隨模塊老化而改變。選取殼溫Tc作為加熱、冷卻過程結(jié)束標(biāo)志量，因?yàn)門c可以在不破壞模塊封裝的前提下通過溫度傳感器直接測量。
模塊失效主要的因素是模塊層之間不同的CTE，當(dāng)模塊工作時(shí)Si芯片發(fā)熱溫度升高，該熱量主要通過焊接層等傳至散熱裝置，在該過程中芯片和焊接層之間存在熱應(yīng)力的作用，在交變熱應(yīng)力長期作用下焊接層產(chǎn)生裂縫、擴(kuò)大最后斷裂。焊接層失效后導(dǎo)致傳熱路徑破壞，大量的熱量存積使得鋁引線和芯片之間的熱應(yīng)力增大，導(dǎo)致鋁引線和芯片鏈接發(fā)生脫落。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在失效過程中焊接層失效主要引起模塊熱阻的變化，而鋁引線脫落則是改變模塊飽和壓降Uce。在老化實(shí)驗(yàn)中模塊失效判據(jù)Uce增加5%時(shí)引線失效，熱阻Rth增加20%時(shí)焊接層失效。熱阻計(jì)算通過熱傳導(dǎo)方程式(1)來計(jì)算：
Tj=Tc+Rth·Uce·I (1)
式中：Rth為熱阻；Ploss為功耗，功耗等于Uce和電流I的積(不考慮開關(guān)損耗，因?yàn)樵诩訜犭A段模塊都是恒導(dǎo)通狀態(tài))。在實(shí)驗(yàn)過程中數(shù)據(jù)采集、加熱關(guān)斷導(dǎo)通以及冷卻過程通過上位機(jī)Labview來實(shí)現(xiàn)。
綜上所述，本文主要是采取恒定應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)，且忽略老化過程中Si芯片的老化。在實(shí)驗(yàn)中不考慮開關(guān)頻率的作用，假定在熱阻計(jì)算時(shí)模塊已經(jīng)達(dá)到熱穩(wěn)定，只考慮上述模塊兩種見的失效方式其失效點(diǎn)如圖1所示。該平臺(tái)工作范圍：1）工作電流65A；2）數(shù)據(jù)采集卡的采樣率10.4kHz；3）水冷溫度范圍?10~40℃。
2.2 老化實(shí)驗(yàn)主電路設(shè)計(jì)
該電路由被測IGBT、控制開關(guān)IGBT和保護(hù)電感等組成，如圖3所示，主要實(shí)現(xiàn)在大沖擊電流下將被測模塊加熱至結(jié)點(diǎn)溫度，同時(shí)測量在該溫度下100mA電路中的Uce值。其中，被測模塊基極控制信號連接15V使得被測模塊在加熱過程中一直導(dǎo)通。
圖3 老化實(shí)驗(yàn)主電路
通過Labview軟件給采集卡設(shè)定的輸出端口控制主電路中的開關(guān)IGBT的基極信號來實(shí)現(xiàn)主電路開關(guān)導(dǎo)通和關(guān)斷，電感的作用是保護(hù)電路中電流不會(huì)發(fā)生突變從而損壞模塊，與電感并聯(lián)的反向二極管是在加熱過程完成即切斷主電路后給電感放電。100mA電流中串聯(lián)二極管使得該部分電路在加熱過程中不導(dǎo)通在加熱結(jié)束后導(dǎo)通。在本文中被測IGBT模塊是SEMIKRON公司的SKM50GB123D，該模塊的額定電流是50A，所以選定可編程電源輸出電流是50A。為了保證每個(gè)模塊正常工作，即使得每個(gè)模塊能達(dá)到飽和壓降Uce值，電路中主要23個(gè)IGBT每個(gè)飽和壓降大概是2~3V，即共大約70V，所以設(shè)定的可編程電源輸出電壓要大于70V，則選擇80V(本文使用SGI100/100)?？刂崎_關(guān)IGBT其額定電流應(yīng)大于50A，則選定SKM75GB123D其額定電流為75A。
2.3 模塊加熱和冷卻過程
為了減少功率循環(huán)的周期，采用水冷的方式實(shí)現(xiàn)對模塊的降溫。實(shí)驗(yàn)過程中將IGBT模塊固定在水冷的散熱器上，為了使得結(jié)點(diǎn)溫度快速上升，在加熱過程中不通冷卻水。加熱過程中通過使用K型熱電偶(檢測范圍：-200~1350℃)檢測殼溫，在散熱器上挖溝槽的方式來安裝熱電偶，并將熱電偶安裝在IGBT芯片的正下方來保證測量值的正確性，通過調(diào)整冷節(jié)點(diǎn)值來實(shí)現(xiàn)熱電偶的校正。當(dāng)檢測殼溫Tc值達(dá)到設(shè)定的上限值TcH為80℃時(shí)，關(guān)斷IGBT。在加熱結(jié)束后，打開旁通閥通Lauda WK 4600冷卻液，冷卻液設(shè)定溫度為15℃。為了保證冷卻過程的充分，以水泵來加速水流，使用漩渦式流量傳感器(GEMS 173940-C)來測量冷卻液的流量來判斷冷卻液的是否足夠，當(dāng)測定的殼溫Tc達(dá)到設(shè)定下限TcL值30℃時(shí)冷卻過程結(jié)束。通過不停的加熱和冷卻來實(shí)現(xiàn)IGBT模塊的老化過程，其流程圖如圖4所示。
圖4 老化實(shí)驗(yàn)流程圖
2.4數(shù)據(jù)采集和參數(shù)校正
2.4.1數(shù)據(jù)采集及結(jié)溫計(jì)算方案
實(shí)驗(yàn)中需采集每個(gè)IGBT模塊在導(dǎo)通和100mA下的Uce值，本文使用NIUSB-6225OEM數(shù)據(jù)采集卡，其共有80通道，每一通道采樣率大約10.4kHz，即采樣周期約0.104ms，而芯片溫度傳到殼時(shí)溫度響應(yīng)時(shí)間大約是0.1s，所以在加熱過程結(jié)束時(shí)采集Uce計(jì)算出的結(jié)點(diǎn)溫度Tj可用來作為結(jié)點(diǎn)溫度。除了Uce外還需要采集殼溫Tc不僅用來判斷加熱和冷卻過程的結(jié)束標(biāo)志量，而且Tc是計(jì)算熱阻的必須量。判斷鋁引線的失效通過監(jiān)測導(dǎo)通Uce值的變化，但是飽和壓降隨著結(jié)點(diǎn)溫度的上升而提高該變化并不是由鋁引線失效引起，為了判斷鋁引線失效則需要將飽和壓降等效在同等Tj時(shí)，來判定鋁引線的失效程度。結(jié)點(diǎn)溫度Tj監(jiān)測一直是IGBT模塊狀態(tài)監(jiān)測的難點(diǎn)。為了不破壞模塊封裝，本文采用在100mA下Uce與Tj的線性關(guān)系來計(jì)算Tj，且該線性關(guān)系不會(huì)因引線失效而發(fā)生變化。
2.4.2 Tj校正
由于IGBT模塊在100mA下不存在自熱，可假定Tc和Tj溫度近似相等。使用TPS公司的TJR溫度箱(-75~200℃)分別設(shè)定溫度箱25、50、75、100、125、150℃值，將隨機(jī)選擇兩組模塊置入該溫度箱中測量Tc(即Tj)和Uce_100mA值，如表1所示。
表1 Tj與Uce_100mA測量值
使用軟件對表1進(jìn)行線性擬合可得式(2)，擬合結(jié)果如表2和圖5所示。由表可知，相關(guān)系數(shù)和決定系數(shù)(擬合優(yōu)度)都在99.97%以上，所以Tj和Uce-100mA具有非常高的相關(guān)性，其中均方差、殘差平方和值都較小即樣本點(diǎn)與擬合值偏差、偏差波動(dòng)很小，所以得到的計(jì)算參數(shù)是準(zhǔn)確有效。
圖5 擬合結(jié)果圖
表2 擬合參數(shù)值
為了進(jìn)一步驗(yàn)證得到Tj與Uce_100mA線性關(guān)系的正確性，隨機(jī)選擇一組IGBT去掉封裝外殼接入100mA電流源，用紅外攝像機(jī)直接測量結(jié)點(diǎn)溫度Tj和通過Uce_100mA計(jì)算值進(jìn)行對比，結(jié)果如圖6(b)所示，其均方誤差是1.88℃，該值較小，可忽略，從而證明了得到Tj測量結(jié)果的正確性。熱電偶測溫滯后，通過比較Tc與紅外測溫的結(jié)果可知，均方誤差1.96℃且在計(jì)算失效程度值的時(shí)候，采用比值的形式可消除因測溫滯后帶來差異。由于去掉外殼封裝模塊后結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，為了證明其電氣特性未發(fā)生變化，通過將模塊去掉封裝前后都置于溫度箱中并通100mA電流分別測量25、50、75、100、125和150℃溫度下Uce與新模塊在相應(yīng)情況下的電壓進(jìn)行對比，其誤差如圖6(a)所示。由圖可知，Uce電壓幾乎沒變，其均方根誤差為0.0021，對應(yīng)結(jié)溫誤差是1.029℃，所以可以忽悠去掉外殼帶來的差異。
圖6 結(jié)溫計(jì)算方法驗(yàn)證
2.4.3 Uce_50A校正
當(dāng)焊接失效時(shí)模塊熱阻增大，飽和壓降Uce_50A隨著Tj的升高而變大。飽和壓降Uce_50A是鋁引線失效的特征量，但是該Uce變大不是引線失效造成，而是載流子壽命和存儲(chǔ)電荷數(shù)量上升造成，所以對Uce_50A進(jìn)行修正是判斷引線失效的關(guān)鍵。引線失效的判斷應(yīng)在相同結(jié)點(diǎn)溫度下Uce_50A的變化量，即將不同結(jié)點(diǎn)溫度Tj的Uce_50A等效在某一特定Tj下進(jìn)行判斷。取功率循環(huán)初始一部分Uce_50A、Tj值并擬合得到線性關(guān)系式(3)，其擬合結(jié)果如圖7和表3所示。由表3可知，相關(guān)系數(shù)和決定系數(shù)(擬合優(yōu)度)都在99.9%以上，所以Tj和Uce_50A的擬合程度非常好，其中均方差、殘差平方和值都較小即樣本點(diǎn)幾乎等于擬合值，所以得到的計(jì)算參數(shù)準(zhǔn)確有效。
圖 7 擬合結(jié)果圖
表3 擬合參數(shù)值
2.5 老化實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)器件包括：PC、Labview8.6、數(shù)據(jù)采集卡NIUSB-6225OEM、冷卻箱LaudaWK4600、可編程電源SGI100/100、SKM50GB123D、SKM75GB123D、TJR溫度箱和下位機(jī)電路等。在上位機(jī)中用Labview編程，其裝置圖如圖8所示。運(yùn)行該程序通過校對顯示的采樣數(shù)據(jù)來驗(yàn)證程序正確性，并以指示燈的動(dòng)作觀察模塊失效程度，記錄功率循環(huán)每次循環(huán)的采樣值并保存用來分析失效機(jī)理。
圖8 老化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)
3. 數(shù)據(jù)處理及分析
在實(shí)驗(yàn)中取初始100次循環(huán)的平均值作為熱阻Rth、Uce_50A初始值，即Rth_initial、Uce_50A_initial，根據(jù)式(3)可得修正后的判斷模塊老化公式(4)，其中Rth_measure(i)表示第i次功率循環(huán)熱阻的測量值。老化實(shí)驗(yàn)中開始0~250s內(nèi)Tj、Tc測量值變化和Rth-normal隨循環(huán)次數(shù)的變化值如圖9所示。根據(jù)式(1)、(4)可得模塊Rth、Uce_50A從正常到失效變化曲線，如圖10所示。
圖9 Tj、Tc 和Rth-normal 變化曲線圖
圖10 老化實(shí)驗(yàn)圖
由圖9可知?dú)豑c、結(jié)溫Tj變化曲線，Tc上升即模塊加熱階段，Tc、Tj下降屬于冷卻階段。關(guān)斷控制IGBT一定時(shí)間后，模塊無自熱Tj≈Tc，從該圖驗(yàn)證了在100mA下Tj計(jì)算的正確性，并且以Tc作為老化實(shí)驗(yàn)的標(biāo)志量來控制實(shí)驗(yàn)加熱和冷卻，從Tc的周期變化顯示了該老化實(shí)驗(yàn)方案的有效性。
從圖9中可知，熱阻在40000次循環(huán)后開始增大，大概在55200時(shí)Uce開始上升，其他模塊也滿足熱阻Rth先增加至一定值時(shí)，且此時(shí)結(jié)溫都很高Uce才開始變化。主要原因是在功率循環(huán)中模塊層之間不同的CTE引起交變熱應(yīng)力，由應(yīng)力集中作用在焊接層兩端邊緣的局部熱應(yīng)力向焊接層逐漸降低，當(dāng)塑性區(qū)發(fā)生移動(dòng)時(shí)焊接層產(chǎn)生初始裂縫為模塊失效的第1階段，該階段熱阻增大，結(jié)溫上升。一旦焊接層初始裂縫產(chǎn)生時(shí)器件失效進(jìn)入第2階段，在該階段應(yīng)力集中作用加強(qiáng)，裂縫在更大的溫度循環(huán)作用下，裂縫加速擴(kuò)展最后至脫落斷裂，該階段熱阻變化率變大。第1、2階段為模塊疲勞損傷累積過程，且是正反饋過程。
在疲勞損傷過程中主要造成熱阻非線性增長，可通過器件參數(shù)退化模型[21]來驗(yàn)證，如式(5)所示。
式中：A0和m為模型參數(shù)；N循環(huán)次數(shù)。分別選取了ΔTj1、ΔTj2、ΔTj3為73、80和94℃3組實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行器件參數(shù)退化模型擬合，如圖9(b)所示，通過比較模型值和實(shí)測值可知，器件在老化過程中熱阻以指數(shù)的形式增長。ΔTj越大，失效程度值初始增大所需的周期數(shù)越小，且裂縫擴(kuò)展的速率也越大，符合模塊所受的熱應(yīng)力越大模塊越容易發(fā)生失效的實(shí)際情況。
模塊大概在55200次循環(huán)后Uce增加，即當(dāng)焊接層失效比嚴(yán)重時(shí)，結(jié)溫很大且導(dǎo)熱通道破環(huán)，引線在大的ΔTj溫度循環(huán)下發(fā)生脫落、斷裂并失效，如圖10(c)所示。表明焊接層失效先于引線失效，且引線失效開始大概500次循環(huán)后Uce增加了50%，該過程時(shí)間比較短，所以在對模塊現(xiàn)在監(jiān)測時(shí)，主要監(jiān)測熱阻的變化更有利于監(jiān)控模塊的健康狀態(tài)。
從老化實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，模塊失效主要的原因是模塊長期受到熱應(yīng)力的作用，首先焊接層產(chǎn)生裂縫、擴(kuò)大最后斷裂即熱阻Rth增大。在焊接層失效后導(dǎo)致傳熱路徑破壞，大量的熱量存積使得鋁引線和芯片之間的熱應(yīng)力增大，導(dǎo)致鋁引線和芯片鏈接發(fā)生脫落，即飽和壓降Uce增大。由于鋁引線失效過程較短且在焊接層失效一定程度后發(fā)生，所以本文對監(jiān)測熱阻的變化對器件可靠性狀態(tài)監(jiān)測的重要性提供了有效理論基礎(chǔ)。為了進(jìn)一步驗(yàn)證該結(jié)論的通用性，選擇新的IGBT模塊SKM50GB12T4進(jìn)行老化實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果如圖11所示。由圖可知，焊接層失效是早于引線失效，符合上文得到的結(jié)論。
圖11 SKM50GB12T模塊老化結(jié)果
4. 結(jié)論
本文通過分析IGBT模塊失效方式和機(jī)理，建立了IGBT模塊老化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)并對測量參數(shù)進(jìn)行校正。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得到以下結(jié)論：1）模塊先發(fā)生焊接層失效，當(dāng)焊接層失效到一定程度后鋁引線才開始失效，所以焊接層失效是主要的失效方式； 2）焊接層失效時(shí)熱阻變化曲線滿足器件參數(shù)退化模型；3）ΔTj越大模塊越容易發(fā)生失效；4）由于焊接層蠕變疲勞到失效時(shí)間要遠(yuǎn)大于鋁引線失效，所以監(jiān)測模塊熱阻情況更能有效的掌控模塊健康狀態(tài)。
關(guān)鍵字：IGBT功率循環(huán)測試儀 IGBT高溫反偏測試系統(tǒng)