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摘? 要?
針對汽車 IGBT 模塊的主要失效原理和引線鍵合壽命短板，結(jié)合仿真分析進行了功率循環(huán)試驗設(shè)計，結(jié)溫差?ΔTj 和流經(jīng)鍵合線的電流 IC 是影響鍵合點壽命的主要加速因子，中間溫度（Tjm）是影響鍵合點壽命的重要因子。傳統(tǒng)功率循環(huán)壽命試驗需采用大量的試驗樣本，文章采用單根鍵合引線作為試驗獨立樣本，極大程度地減少了試驗所需的樣本數(shù)，同時通過壓降參數(shù) VCE(sat)?的微小變化相對準確地獲取到 IGBT 模塊內(nèi)部鍵合線的脫落趨勢，結(jié)合壽命模型和威布爾統(tǒng)計方法，對鍵合點壽命進行統(tǒng)計分析，最終獲得功率循環(huán)壽命曲線。利用新的功率循環(huán)壽命統(tǒng)計方法可將試驗成本和試驗周期減少 80%。
0? 引言
隨著電動汽車的高速發(fā)展，作為其核心部件的IGBT 模塊的可靠性也倍受關(guān)注。IGBT 的壽命研究國內(nèi)外已有不少研究成果，但是對于汽車用的 IGBT 模塊的研究較少。汽車 IGBT 模塊應(yīng)用工況相對其他應(yīng)用工況更加惡劣，在汽車運行過程中，啟停和加減速頻繁，對應(yīng)的是 IGBT 模塊的功率變化，IGBT 結(jié)溫也會隨之不斷循環(huán)變化，溫度變化產(chǎn)生的熱應(yīng)力會使模塊內(nèi)部層次間產(chǎn)生蠕變熱疲勞，直至 IGBT 失效。針對汽車IGBT 特殊的應(yīng)用工況條件，準確地評價 IGBT 模塊的熱循環(huán)壽命需求非常迫切。
功率循環(huán)試驗是 IGBT 模塊常用的加速壽命試驗方法之一，通過給 IGBT 模塊通斷直流電流并結(jié)合外部冷卻水冷卻，使芯片結(jié)溫在可控的溫度范圍內(nèi)變化，該方法是通過加速方法模擬 IGBT 模塊在應(yīng)用工況中的溫度變化，定量評價熱疲勞的損傷，是應(yīng)用壽命預(yù)測重要的評價手段。
1? 功率循環(huán)壽命退化原理
服役狀態(tài)下的 IGBT 模塊處于亞穩(wěn)定狀態(tài)，其材料和結(jié)構(gòu)會隨著時間的推移發(fā)生狀態(tài)改變或退化。IGBT 模塊在整個壽命周期內(nèi)，會經(jīng)歷數(shù)萬至數(shù)百萬次的溫度循環(huán)沖擊，這期間熱應(yīng)力的反復(fù)作用會使材料發(fā)生疲勞，造成模塊封裝結(jié)構(gòu)的逐漸退化。IGBT 模塊封裝結(jié)構(gòu)的退化主要表現(xiàn)在模塊的電學(xué)和熱學(xué)性能的退化上。
1.1? 熱退化
IGBT 模塊（結(jié)構(gòu)圖見圖 1）在應(yīng)用中的電壓、電流不是恒定的，而是隨著汽車運行速度和載荷的變化而變化，從而使模塊溫度不斷變化。由于模塊芯片、芯片焊層、DBC 等層次的熱膨脹系數(shù)不完全一致，當(dāng)模塊受到芯片溫度的循環(huán)沖擊時，不同材料會產(chǎn)生不同程度的受熱膨脹和冷卻收縮，從而使模塊的各層材料之間產(chǎn)生交變的應(yīng)力，造成結(jié)構(gòu)的松弛和材料裂紋的萌生，使得導(dǎo)熱系數(shù)等熱參數(shù)退化。當(dāng) IGBT 模塊的焊料出現(xiàn)裂紋和分層時，從芯片到模塊底部散熱器之間的有效傳熱面積就會減小，造成模塊熱阻 Rth 的增大。IGBT 模塊熱阻的增大又會降低模塊的傳熱性能，導(dǎo)致芯片結(jié)溫 Tj 升高。
1.2? 電參數(shù)退化
在應(yīng)用工況中，IGBT 模塊材料的損傷會影響其外部電學(xué)特性，使模塊的電氣參數(shù)發(fā)生變化，這些電氣參數(shù)包括壓降 VCE(sat)?和 VF、柵極閾值電壓 VGE(th)、柵極電流 IGES 等。鍵合線與芯片之間熱膨脹系數(shù)不匹配引起的熱應(yīng)力會造成鍵合線脫落，導(dǎo)致鍵合線接觸電阻增大，進而使得 IGBT 模塊的導(dǎo)通電阻 Ron 增大，飽和壓降 VCE (sat)?升高。此外，為了連接 IGBT 芯片元胞和發(fā)射極，進行芯片與襯板的引線鍵合，芯片表面會覆蓋一層鍍層金屬。當(dāng)鍍層金屬受到溫度沖擊時，晶粒會產(chǎn)生塑性變形 ，引起金屬化重構(gòu)。鍍層金屬的演化會減小其有效橫截面積，增大整個鍍層金屬的電阻，影響模塊的飽和壓降 VCE(sat)。
2? 鍵合熱機仿真
IGBT 模塊工作過程中涉及到電流場、溫度場、應(yīng)力場等多個物理場相互作用的影響，電流場產(chǎn)生功率損耗，功率損耗引起的焦耳熱是溫度場中的熱源，模塊溫度的波動及溫度場的不均勻分布會使模塊各層之間產(chǎn)生熱應(yīng)力，進而模塊發(fā)生形變。模塊形狀的改變又會引起溫度場的變化和電流分布的改變，因此，在進行 IGBT 模塊鍵合線應(yīng)力仿真時，應(yīng)考慮多個物理場之間相互耦合的情況。本文建立的 IGBT 模塊實體模型如圖 2 所示。在芯片表面有源區(qū)施加發(fā)熱載荷，模擬芯片發(fā)熱時的溫度場分布，計算鍵合線的累積塑性變形損傷及其具體發(fā)生的位置。
圖 3 給出了鍵合線根部的 von Mises 應(yīng)力分布。可以發(fā)現(xiàn)，在鍵合點處產(chǎn)生 von Mises 應(yīng)力的最大值，鍵合線根部出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。提取鍵合線上的第一主應(yīng)變分布，如圖 4 所示，發(fā)現(xiàn)在應(yīng)力較大的鍵合線根部位置鍵合線的第一主應(yīng)變最大。功率循環(huán)試驗中IGBT 模塊鍵合線的失效，往往是在鍵合點處產(chǎn)生裂紋，裂紋擴展導(dǎo)致鍵合線脫落。
3? 試驗設(shè)計
3.1? 功率循環(huán)試驗方法
大功率 IGBT 模塊功率循環(huán)常用的試驗方法有恒定結(jié)溫升?ΔTj 、恒定功率 P 和恒定電流 IC。恒定結(jié)溫升ΔTj 和恒定功率 P 主要是針對焊層的退化，其中恒定結(jié)溫升?ΔTj 的試驗?zāi)Ｊ礁悠毡椋缓愣娏?IC 試驗?zāi)Ｊ絼t主要用于評價鍵合點的壽命。
3.1.1 恒定結(jié)溫升 ΔTj 模式
恒定結(jié)溫升 ΔTj 試驗?zāi)Ｊ郊丛谠囼炦^程中，Ton 和Toff 保持不變，實時調(diào)整 IC 的值，使?ΔTj 恒定。該試驗?zāi)Ｊ较?，隨著產(chǎn)品熱特性的退化，維持結(jié)溫升?ΔTj 穩(wěn)定需要不斷地減小電流 IC。恒定結(jié)溫升 ΔTj 的試驗?zāi)Ｊ皆谲壍澜煌ㄓ?a href="http://www.makelele.cn/v/tag/873/" target="_blank">高壓 IGBT 模塊的芯片焊層熱疲勞評價中被廣泛應(yīng)用。對于軌道交通用 IGBT 模塊通常會對引線鍵合點進行涂膠保護，引線不會輕易脫落，其壽命短板為芯片焊層的分層和收縮。結(jié)溫變化值是焊層熱疲勞退化的主要因子，受電流大小影響較小，故軌道交通用高壓IGBT 模塊試驗采用恒定結(jié)溫升?ΔTj 的模式比較合適。
3.1.2? 恒定電流 IC 試驗?zāi)Ｊ?/strong>
恒定電流 IC 試驗?zāi)Ｊ郊礊樵谠囼炦^程中，Ton, Toff,IC 全部保持不變。在試驗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，在試驗過程中不再對這些參數(shù)進行調(diào)節(jié)。這種試驗?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通常未涂覆保護膠，鍵合點是 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 模式進行試驗。AQG324 汽車模塊標準也做了同樣的規(guī)定說明。
3.1.3? 熱敏系數(shù)測試
在進行功率循環(huán)前，試驗人員需要對 IGBT 模塊進行熱敏系數(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 進行精準的標定，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)計分布來描述?，其累積失效率計算公式為式中：
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)計的鍵合點壽命數(shù)據(jù)進行整理，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???試驗方案設(shè)計
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 為計算值，與功率器件結(jié)構(gòu)及材料有關(guān)，無實際物理意義。
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)進行試驗方案的設(shè)計。
3.3.2 試驗設(shè)計
試驗采用恒定電流 IC 的模式。對 ΔTj, Tjm, IC3 個加速因子進行拉偏試驗，當(dāng)對一個參數(shù)進行拉偏時，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，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確的壽命值，通常需要單個試驗拉偏條件大于 10?只的樣本數(shù)量，這無疑需要巨大的經(jīng)濟成本和時間成本。針對汽車IGBT模塊鍵合點脫落的失效模式，本文研究采用以鍵合點作為樣本子樣，進行功率循環(huán)壽命統(tǒng)計。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，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數(shù)據(jù)，得到大量鍵合點的壽命，這將大大減少試驗的經(jīng)濟成本和時間成本，同時能夠更準確獲取鍵合點壽命的循環(huán)次數(shù)。
4? 試驗結(jié)果
4.1? 試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計
本文的試驗設(shè)計采用恒定電流 IC 的試驗?zāi)Ｊ?。功率循環(huán)試驗的熱疲勞效應(yīng)導(dǎo)致鍵合點與芯片金屬層界面裂紋生長，每次鍵合點的脫落，IGBT 模塊的壓降VCE(on)?會明顯增大，形成一個明顯的臺階，可以方便試驗人員對鍵合點脫落時對應(yīng)的循環(huán)周次數(shù)進行統(tǒng)計，如圖 7 所示。
在鍵合點脫落數(shù)量較少的情況下，每個鍵合點的脫落會產(chǎn)生一個相對固定的 ΔVCE(on)。當(dāng)鍵合點脫落數(shù)量達到一定數(shù)量后，每個鍵合點脫落會導(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)的鍵合點脫落數(shù)量統(tǒng)計，可以采用定數(shù)截尾的方式進行試驗來減小統(tǒng)計誤差。每個壓降突變處鍵合點的脫落數(shù)量可以近似計算為
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)?進行系數(shù)修正，每個壓降突變處鍵合點的脫落數(shù)量可近似計算為
根據(jù)試驗過程曲線，按照式 (4) 或式 (5) 的計算方法，統(tǒng)計不同循環(huán)周次數(shù)對應(yīng)的鍵合點脫落數(shù)量，如圖 8 所示（圖中點的個數(shù)即為鍵合點脫落數(shù)量）。
4.2? 數(shù)據(jù)分析及壽命計算
按照威布爾分布計算方法對鍵合點脫落統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行分析，獲取在某一累計失效率下的 IGBT 模塊功率循環(huán)壽命，如圖 9 所示。威布爾參數(shù)計算方法已經(jīng)非常成熟，本文不再贅述。
本文以鍵合點累積失效率為 10% 作為模塊的壽命（也稱為 B10?壽命），計算得到不同試驗條件下的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)?對上述試驗數(shù)據(jù)代入進行計算，獲取系數(shù)?β1, β2, β3 值，通過計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 對鍵合點壽命的影響較大，是影響鍵合點壽命的主要加速因子；Tjm 對鍵合點壽命的影響相對較小，但也是影響鍵合點壽命的重要加速因子。失效模塊解剖圖如圖所示 12。
對完成試驗的模塊進行解剖分析，模塊鍵合點有明顯剝離脫落，失效位置為鍵合點根部，佐證了前文的鍵合熱機仿真的失效模式。
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、試驗方法、壽命模型和統(tǒng)計模型等多個角度進行闡述，針對汽車 IGBT 模塊的鍵合點壽命短板，進行了功率循環(huán)試驗設(shè)計。本文提出基于鍵合點作為樣本子樣的壽命統(tǒng)計方法，相比傳統(tǒng)以 IGBT 模塊作為樣本的壽命統(tǒng)計方法，該方法可以大幅度減少試驗樣本數(shù)量 , 節(jié)省巨大的時間成本和經(jīng)濟成本 , 并提升壽命評價的準確性，具有很好的工程應(yīng)用價值。
編輯：黃飛
工商網(wǎng)監(jiān)
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