IGBT廣泛應(yīng)用于各類(lèi)電力電子設(shè)備中，其可靠性一直都是制造商和用戶重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)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(guò)改進(jìn)設(shè)計(jì)、應(yīng)用新材料、升級(jí)生產(chǎn)工藝來(lái)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(jì)要求。那么應(yīng)該如何進(jìn)行準(zhǔn)確的IGBT模塊壽命評(píng)估呢？下面我們對(duì)這一問(wèn)題做詳細(xì)介紹。

1. IGBT模塊老化機(jī)理

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

環(huán)境因素的影響，不同場(chǎng)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(yùn)行過(guò)程中自身溫度變化對(duì)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(yùn)行產(chǎn)生的溫度波動(dòng)會(huì)在相鄰層產(chǎn)生熱機(jī)械應(yīng)力，這種熱機(jī)械應(yīng)力是IGBT模塊中材料疲勞老化進(jìn)而失效的根本原因。典型的失效點(diǎn)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(jī)械應(yīng)力的沖擊下，IGBT模塊內(nèi)部綁定線會(huì)產(chǎn)生疲勞現(xiàn)象。圖1（a）展示了綁定線根部開(kāi)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(huì)使用多根綁定線并聯(lián)來(lái)分擔(dān)電流，單根綁定線的失效會(huì)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(huì)隨之增加，導(dǎo)致更大的熱機(jī)械應(yīng)力從而隨之失效。綁定線疲勞的另一個(gè)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(guò)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(lái)實(shí)現(xiàn)與DCB（陶瓷基板）及綁定線的連接。在熱機(jī)械應(yīng)力的作用下，該金屬層會(huì)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(wàn)次功率循環(huán)前后的微觀對(duì)比。

金屬化層的重構(gòu)不但會(huì)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(diǎn)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(guò)焊接的方式實(shí)現(xiàn)連接，長(zhǎng)期的熱機(jī)械應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致焊接層的脆化或開(kāi)裂（參見(jiàn)圖3）。同時(shí)焊料與銅層之間形成的合金（Cu5Sn 6 ）同樣可能開(kāi)裂。

圖3 焊接層開(kāi)裂SEM圖

另一種常見(jiàn)的焊接層退化的表現(xiàn)形式是焊料中空洞的形成（參見(jiàn)圖4），這會(huì)影響到工作中芯片產(chǎn)生的熱量向外界傳遞的效率，長(zhǎng)期作用下會(huì)導(dǎo)致芯片過(guò)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(cè)試可以加速模擬IGBT模塊在實(shí)際工作中可能承受的熱機(jī)械應(yīng)力，目前被各IGBT模塊生產(chǎn)廠商采用以驗(yàn)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(guò)各種嚴(yán)苛的內(nèi)外部認(rèn)證測(cè)試，其中功率循環(huán)測(cè)試是必不可少的一項(xiàng)，而功率循環(huán)曲線則是計(jì)算模塊壽命的基本條件之一，下面我們就針對(duì)這兩點(diǎn)做詳細(xì)介紹。

2.1 功率循環(huán)測(cè)試方法

測(cè)試的電氣連接如圖5所示。測(cè)試時(shí)先給待測(cè)模塊接通一個(gè)大電流負(fù)載I load ，待芯片結(jié)溫上升到設(shè)定值T j（max） 后斷開(kāi)I load ，然后采用小電流Imeasure下的VCE測(cè)試電壓結(jié)合已校準(zhǔn)的VCE和Tj曲線來(lái)確認(rèn)結(jié)溫，并通過(guò)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(kāi)測(cè)試小電流I measure ，再次接通Iload并重復(fù)以上過(guò)程。

圖5 功率循環(huán)測(cè)試示意圖

2.2 功率循環(huán)測(cè)試參數(shù)設(shè)置

在功率循環(huán)測(cè)試中，結(jié)溫波動(dòng)幅度（ΔT j =T j,max –T j,min ）是對(duì)最終循環(huán)次數(shù)影響最大的變量。結(jié)溫波動(dòng)越大，對(duì)于模塊內(nèi)部各層施加的熱機(jī)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(cè)試效率，一般生產(chǎn)廠商會(huì)選取較大波動(dòng)值如ΔT j =100K或ΔT j =70K進(jìn)行功率循環(huán)測(cè)試。

在同樣結(jié)溫波動(dòng)條件下，循環(huán)測(cè)試中的平均結(jié)溫T m =T j,min +ΔT j /2的設(shè)置對(duì)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(gè)比較重要的參數(shù)是每個(gè)循環(huán)中大電流負(fù)載Iload的持續(xù)時(shí)間T on 。Ton時(shí)間越長(zhǎng)，則每個(gè)周期模塊各連接層承受的熱機(jī)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(gè)廠商對(duì)此參數(shù)設(shè)置不盡相同。

** 2.3 **功率循環(huán)測(cè)試完成標(biāo)準(zhǔn)

上文提到，持續(xù)的熱機(jī)械應(yīng)力會(huì)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(wèn)題，而這些問(wèn)題會(huì)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(cè)試過(guò)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(cè)試完成。圖6是賽米控某款I(lǐng)GBT模塊的功率循環(huán)測(cè)試結(jié)果。

圖6 功率循環(huán)測(cè)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(jìn)行了一項(xiàng)針對(duì)IGBT模塊的壽命預(yù)測(cè)項(xiàng)目。該項(xiàng)目對(duì)來(lái)自歐洲和日本多個(gè)廠商的IGBT模塊進(jìn)行了大量的研究和功率循環(huán)試驗(yàn)，確定了結(jié)溫波動(dòng)對(duì)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(shí)際上描述了不同結(jié)溫波動(dòng)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(duì)應(yīng)不同曲線。該壽命曲線可用以下方程式表達(dá)：

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(jì)和生產(chǎn)方法都取得了快速進(jìn)步，這些發(fā)展對(duì)于可靠性和壽命都有實(shí)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(diǎn)發(fā)布了兩款改進(jìn)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(jìn)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(jìn)模塊功率循環(huán)壽命曲線（采用優(yōu)化的綁定線設(shè)計(jì)或銀燒結(jié)技術(shù)）

3. 不同應(yīng)用中的****IGBT模塊壽命計(jì)算

**3.1 **負(fù)載簡(jiǎn)單變化應(yīng)用中的壽命計(jì)算

對(duì)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(jìn)行簡(jiǎn)單的壽命計(jì)算。這種計(jì)算只考慮每個(gè)負(fù)載周期中最大的溫度波動(dòng)，忽略較小的溫度波動(dòng)。下面舉例說(shuō)明：

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

圖10 SEMISEL仿真參數(shù)設(shè)置

啟動(dòng)仿真后，在結(jié)果頁(yè)會(huì)直觀顯示結(jié)溫波動(dòng)曲線及芯片結(jié)溫具體值（圖11）。計(jì)算出該應(yīng)用的平均結(jié)溫T jm =112.5°C及結(jié)溫波動(dòng)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(jìn)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(wàn)次。

圖12 利用功率循環(huán)曲線估算IGBT壽命

3.2 復(fù)雜負(fù)載條件下的壽命計(jì)算

在電梯、電動(dòng)汽車(chē)以及風(fēng)力發(fā)電等應(yīng)用中，負(fù)載會(huì)快速且無(wú)規(guī)律的變化。以下圖為例：

圖13 復(fù)雜負(fù)載條件任務(wù)曲線

在這種電流、電壓、基頻甚至是開(kāi)關(guān)頻率同時(shí)變化的工況下，需要使用SEMISEL或其他專(zhuān)業(yè)熱仿真軟件對(duì)每個(gè)工作點(diǎn)進(jìn)行仿真，計(jì)算出功耗并精確使用熱阻（或熱阻抗）得到每個(gè)周期中溫度波動(dòng)曲線，即將任務(wù)曲線轉(zhuǎn)化為溫度曲線。

圖14 復(fù)雜負(fù)載條件結(jié)溫波動(dòng)曲線

可以看到，在基頻較低的工況下會(huì)發(fā)生數(shù)次較大結(jié)溫波動(dòng)；而在基頻較高的工況下會(huì)有大量小結(jié)溫波動(dòng)發(fā)生。對(duì)于這種大小波動(dòng)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(jiǎn)化為若干個(gè)具有不同波動(dòng)幅度的負(fù)載循環(huán)，如下圖15所示。

圖15 雨流算法簡(jiǎn)化溫度波動(dòng)

將雨流算法簡(jiǎn)化后的不同溫度波動(dòng)通過(guò)對(duì)應(yīng)模塊的壽命曲線進(jìn)行計(jì)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(gè)例子重點(diǎn)是介紹如何使用雨流算法計(jì)算復(fù)雜工況下的IGBT壽命，圖13中溫度曲線與圖15中簡(jiǎn)化曲線與并無(wú)直接對(duì)應(yīng)關(guān)系。