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(三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院,湖北　宜昌　443002)

1　引言

隨著半導(dǎo)體全控器件的快速發(fā)展，科研人員在該領(lǐng)域投入更多的精力。其中IGBT最具代表，其兼有傳統(tǒng)晶閘管多方面優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛運(yùn)用于家用電器、基礎(chǔ)設(shè)施、微電網(wǎng)、電動(dòng)汽車等各領(lǐng)域[1]。功率模塊IGBT作為重要器件，對(duì)于能否正常運(yùn)行影響著整個(gè)系統(tǒng)，由于功率模塊的失效可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的癱瘓。

一般情況下，對(duì)于某個(gè)器件可靠性與安全性的研究，往往與其內(nèi)部機(jī)理有著密不可分的關(guān)聯(lián)，許多學(xué)者針對(duì)其失效機(jī)理進(jìn)行了大量試驗(yàn)，并結(jié)合試驗(yàn)探討研究，最終發(fā)現(xiàn)兩者關(guān)系尤為密切，為壽命預(yù)測(cè)工作奠定了研究基礎(chǔ)。對(duì)模塊失效問題的研究，本文主要分析功率模塊的兩大失效機(jī)理，由封裝結(jié)構(gòu)技術(shù)帶來的失效及與模塊內(nèi)部芯片本身的失效。

目前對(duì)模塊壽命預(yù)測(cè)主要是將其與疲勞度相關(guān)聯(lián)，通過分析研究其疲勞損傷程度，研究人員根據(jù)失效機(jī)理提出了一系列的模塊壽命模型，對(duì)于不同的工況選擇不同的模型。研究模塊的壽命問題對(duì)可靠性具有重要意義，以便實(shí)現(xiàn)對(duì)器件的健康實(shí)時(shí)維護(hù)與管理[2]?，F(xiàn)有的壽命預(yù)測(cè)模型主要分為解析型與物理型兩大類，這兩類模型分別有著自身特點(diǎn)，針對(duì)不同工作狀態(tài)和外部環(huán)境選擇運(yùn)用不同模型。

2　功率模塊IGBT失效機(jī)理

功率模塊在實(shí)際的使用中，將主要組成材料如芯片、底板、焊料通過專業(yè)技術(shù)將其封裝在一個(gè)模塊之中并且構(gòu)成了具有獨(dú)立功能的換流電路，比如單相橋臂、多相橋臂，通過對(duì)基本結(jié)構(gòu)及工作原理了解，進(jìn)而對(duì)其失效機(jī)理進(jìn)行分析，從而達(dá)到剩余壽命預(yù)測(cè)的目的。由于模塊的失效原因綜合了諸多因素，過程極其復(fù)雜，不同的工作環(huán)境、運(yùn)行工況、使用方法、元件材料等影響都會(huì)對(duì)模塊造成一定的影響，隨著時(shí)間的推移，這種內(nèi)部疲勞影響日積月累逐漸加重，最終導(dǎo)致模塊出現(xiàn)故障并失效，常見的如焊料層疲勞、金屬鋁引線脫落或斷裂。而模塊內(nèi)部芯片的失效主要源于一些突發(fā)工況，如由于誤操作產(chǎn)生的過電壓或過電流，或因?yàn)槎搪饭收袭a(chǎn)生高溫，都有可能使模塊發(fā)生故障并對(duì)內(nèi)部芯片造成永久性破壞損傷。本文將根據(jù)以上幾個(gè)方面對(duì)功率模塊的常見的失效機(jī)理進(jìn)行總結(jié)并分析。

2.1　與封裝結(jié)構(gòu)相關(guān)的失效

IGBT模塊封裝基本示意圖如圖1所示。由于不同部分組成的材料不同，材料的熱膨脹系數(shù)也不相同，當(dāng)功率模塊長時(shí)間工作在高溫和低溫不斷變化的環(huán)境，并經(jīng)過反復(fù)的熱循環(huán)沖擊，易引起不同層間焊接材料的疲勞損傷，并在表面產(chǎn)生細(xì)細(xì)的裂紋，最終導(dǎo)致失效。

圖1　功率模塊IGBT封裝基本示意圖

(1)金屬鋁引線脫落

鍵合指的是使用細(xì)金屬線，利用熱、壓力等能量的形式使引線與基板焊接，使內(nèi)部芯片與基板達(dá)到互聯(lián)并完成信息互通。在實(shí)際工作中，由于在正向?qū)娏髁鬟^可控器件導(dǎo)致溫度升高，而在反向?qū)〞r(shí)電流經(jīng)過反饋二極管續(xù)流使溫度降低，所以功率模塊不斷受到溫度變化的影響，由于芯片的材料與引線材料一般不同，其材料的熱膨脹系數(shù)自然不同，溫度的變化波動(dòng)會(huì)使之間產(chǎn)生熱機(jī)械應(yīng)力，從而使表面產(chǎn)生細(xì)痕，并隨著時(shí)間的累積逐漸加深，最終導(dǎo)致脫落。

(2)不同焊料層間表面疲勞失效

封裝結(jié)構(gòu)材料的多樣性導(dǎo)致各層間膨脹系統(tǒng)也不同。工作中，由于溫度的不斷波動(dòng)，會(huì)在不同層表面產(chǎn)生不同的熱應(yīng)力，這樣導(dǎo)致了各層材料變形的程度不一樣，從而逐漸產(chǎn)生裂痕，而且材料表面的阻抗也隨之增大，影響表面之間的熱傳導(dǎo)性。并且，由于環(huán)境因素的影響，往往會(huì)提前發(fā)生斷裂導(dǎo)致失效。一般情況下溫度對(duì)疲勞程度有著顯著影響，而腐蝕環(huán)境對(duì)材料形變的程度也有一定的影響，雖然其影響程度不如前者，但幾項(xiàng)因素疊加在一起，交互影響，加速導(dǎo)致焊料層發(fā)生故障失效。

(3)鍵合引線底部斷裂

在實(shí)際操作與運(yùn)行中，鍵合引線根部斷裂可以在功率循環(huán)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)。導(dǎo)致該失效方式的主要原因是在焊接過程中，過程并沒有得到優(yōu)化處理，從而導(dǎo)致引線根部產(chǎn)生裂縫[3]。與引線脫落失效相對(duì)比，引線根部斷裂過程慢，且隨著科技的進(jìn)步及技術(shù)的發(fā)展，如今可采用更加先進(jìn)的封裝技術(shù)盡量減少由于引線和焊料層帶來的疲勞影響，如采用新一代壓接式封裝技術(shù)[4]。

(4)鋁金屬表面重構(gòu)變化

模塊內(nèi)部引線大多由金屬鋁做成，而芯片通常為硅材料，兩者通過緊密相連達(dá)到電氣傳導(dǎo)，由于鋁與硅材料的熱膨脹系數(shù)不同，在經(jīng)過反復(fù)的高溫和低溫的循環(huán)變化沖擊之后，它們之間產(chǎn)生熱機(jī)械應(yīng)力導(dǎo)致發(fā)生形變，并且導(dǎo)致鋁金屬表面形成顆粒狀，增大了表面粗糙性，減少了兩者之間表面的接觸面積，從而使之間的內(nèi)阻變大[5-6]。

2.2　與內(nèi)部芯片相關(guān)的失效

作為IGBT模塊內(nèi)部最重要的一部分，芯片的失效會(huì)導(dǎo)致整個(gè)模塊發(fā)生故障。大多數(shù)芯片故障由于工作環(huán)境、人為操作因素導(dǎo)致模塊的電應(yīng)力失效，從而產(chǎn)生過電流或過電壓，在器件內(nèi)部產(chǎn)生不可逆的損失，導(dǎo)致功率器件引起故障[7]。

常見的電應(yīng)力失效主要包括過高的電壓和過高的電流，當(dāng)器件長時(shí)間處于超過其額定電壓或額定電流的工作環(huán)境下工作時(shí)，內(nèi)部溫度隨之升高，則可能將材料融化，形成短路或開路故障，從而導(dǎo)致模塊失效[8]。

(1)過電壓失效

過電壓主要包括柵極過電壓、集電極-發(fā)射級(jí)過電壓以及雜散電感過電壓。如果UGE超過該值，則可能造成器件的損壞。集電極-發(fā)射極之間也可能產(chǎn)生過電壓，主要是在人為的操作中可能造成集電極-發(fā)射極間過高的電壓。雜散電感過電壓指的是當(dāng)開關(guān)不斷開通與關(guān)斷時(shí)，其開關(guān)頻率很大，頻率越大變化率越大，則會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電壓Ldi/dt，對(duì)功率元件的安全造成威脅，都可能加速功率模塊的失效。

(2)過電流失效

過電流失效主要包括擎住效應(yīng)、元件長時(shí)間處于過流運(yùn)行、短路狀態(tài)。由于寄生晶閘管作用，集中基極與發(fā)射極之間存在短路電阻，電流會(huì)在該電阻上產(chǎn)生壓降，導(dǎo)致集電極電流增大，造成器件功耗過大而損壞。長時(shí)間過流狀態(tài)指功率開關(guān)運(yùn)行指標(biāo)超過最大限定值，從而導(dǎo)致發(fā)熱損壞。

根據(jù)不同的失效機(jī)理可以看出，造成功率模塊IGBT失效的原因不僅受到了工作環(huán)境影響和工作工況的影響，同時(shí)與熱機(jī)械應(yīng)力與電應(yīng)力等方面的因素都和模塊的失效有著密不可分的聯(lián)系。

3　功率模塊IGBT壽命模型

針對(duì)功率模塊IGBT可靠性低、維護(hù)成本高等問題，對(duì)其壽命預(yù)測(cè)有很大意義[9]，針對(duì)不同情況，自行選擇不同的壽命預(yù)測(cè)模型，才能更加準(zhǔn)確完成對(duì)壽命預(yù)測(cè)的工作，因此對(duì)現(xiàn)有的壽命預(yù)測(cè)模型進(jìn)行總結(jié)并對(duì)比分析成為了一項(xiàng)重要的研究工作。

3.1　基于解析型壽命模型

解析壽命模型指的是功率模塊的循環(huán)次數(shù)與變量之間的關(guān)系，如溫度與頻率值，這些數(shù)據(jù)均通過加速壽命試驗(yàn)中獲取到的，根據(jù)國內(nèi)外學(xué)者研究，最為常見的壽命模型有：Coffin-Manson壽命模型；Norris-Landzberg壽命模型；Bayerer壽命模型。

由于Coffin-Manson壽命模型的單一性，基于此改進(jìn)模型更為實(shí)用，Lesit壽命模型不僅考慮了結(jié)溫差值變化ΔTj，還考慮了結(jié)溫的平均值Tm，精確度更高，該模型表達(dá)式為:

Nf=α(ΔTj)-neEα/(KTm)

(1)

式中，α和n均可通過仿真實(shí)驗(yàn)得到的常數(shù)[10]；k為玻耳茲曼常量；Ea為芯片激發(fā)的能量。

通過仿真可以發(fā)現(xiàn)，雖然平均結(jié)溫和結(jié)溫波動(dòng)值對(duì)壽命均有影響，但后者對(duì)壽命的影響更大，該壽命模型比較簡單實(shí)用，但考慮的因素相對(duì)較少，僅考慮其溫度的變化，因素相對(duì)單一。

隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)步，學(xué)者將更多的因素考慮在內(nèi)，如循環(huán)頻率、升溫時(shí)間、冷卻時(shí)間等，這些因素同樣也會(huì)對(duì)模塊的壽命造成一定的影響。基于這些因素的綜合考慮和先前的研究，提出了Norris-Landzberg壽命預(yù)測(cè)模型，其考慮的因素更多，表達(dá)式如下所示:

Nf=Af-n2(ΔTj)-n1eEα/(kTm)

(2)

式中除了結(jié)溫波動(dòng)值ΔTj和結(jié)溫平均值Tm外，還多了循環(huán)頻率f，參數(shù)A、n1、n2均可以通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到。

除了以上壽命模型外，Bayerer壽命模型更為全面，通過各種不同的實(shí)驗(yàn)，綜合考慮更多因素，表達(dá)式為

Nf=K(ΔTj)-β1e-β2/(Tjmax+273K)tonβ3+Iβ4+Vβ5+Dβ6

(3)

式中，K和β均為常數(shù)，且通過大量實(shí)驗(yàn)擬合得到，Tjmax表示內(nèi)部結(jié)溫的最大值，ton表示導(dǎo)通時(shí)間，I表示負(fù)載電流，V和D分別表示阻斷電壓和鍵合線直徑。此模型考慮的變量最多，最為復(fù)雜，相對(duì)精度也更高，但數(shù)據(jù)不方便獲取。

解析模型應(yīng)用最為廣泛，但該壽命模型并沒有考慮到功率模塊的物理失效機(jī)理，且數(shù)據(jù)需經(jīng)過大量試驗(yàn)獲取，一旦模塊受到環(huán)境因素或者使用材料的化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，該模型就可能不適用，故在模型通用性方面，解析壽命預(yù)測(cè)模型有待通過大量試驗(yàn)改進(jìn)提高。

3.2　基于物理型壽命預(yù)測(cè)模型

考慮到解析模型的諸多不足，學(xué)者們開始了更多的研究，與解析模型相比，物理模型需通過分析器件失效機(jī)理及形變機(jī)理，是一種基于材料的應(yīng)力到形變過程的模型。通過對(duì)不同材料產(chǎn)生的應(yīng)力進(jìn)行分析，得到功率模塊在此狀態(tài)下的循環(huán)壽命。由于失效大部分和疲勞有關(guān)，該物理型模型主要圍繞這部分進(jìn)行分析。

當(dāng)焊料層受到的應(yīng)力超過其本身的屈服程度時(shí)，材料便開始了形變，此時(shí)的形變稱為塑性應(yīng)變方式，通過將之前壽命模型進(jìn)行對(duì)比并優(yōu)化，將模塊的循環(huán)壽命與塑性應(yīng)變程度相關(guān)聯(lián)起來，得到不同于前文的焊料層疲勞模型，如下所示：

(4)

3.3　不同類型壽命模型優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

考慮兩種不同的壽命預(yù)測(cè)模型各有優(yōu)缺點(diǎn)，兩者最大的區(qū)別在于解析型壽命模型通過加速壽命試驗(yàn)獲取相關(guān)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，通過在某一恒定不變的溫度波動(dòng)下的壽命，雖然使用簡單，但通用性相對(duì)較低，且應(yīng)用缺乏足夠的理論依據(jù)。而物理壽命預(yù)測(cè)模型根據(jù)前者的優(yōu)化與改進(jìn)，針對(duì)不同的失效機(jī)理方式，不僅考慮外部環(huán)境的影響，還考慮內(nèi)部相關(guān)的物理屬性及化學(xué)屬性，故精度相對(duì)較高，但物理壽命模型相對(duì)公式更為復(fù)雜。

4　結(jié)語

功率模塊IGBT憑借其特有的優(yōu)勢(shì)，運(yùn)用于各個(gè)行業(yè)，但由于其故障發(fā)生率和維護(hù)成本較高，故對(duì)其壽命預(yù)測(cè)進(jìn)行評(píng)估研究為整個(gè)器件的正常運(yùn)行提供了實(shí)際意義，本文根據(jù)現(xiàn)有的基礎(chǔ)對(duì)其進(jìn)行總結(jié)并得出以下總結(jié)：

通過對(duì)失效機(jī)理研究發(fā)現(xiàn)，因?yàn)槠诶鄯e產(chǎn)生的熱應(yīng)力是導(dǎo)致IGBT功率失效最主要的原因之一。對(duì)于模塊內(nèi)部芯片的失效，由于其受到環(huán)境因素影響較大，且多為突發(fā)性失效，故對(duì)其研究應(yīng)投入更多的精力和時(shí)間展開分析。

研究壽命預(yù)測(cè)問題對(duì)于器件可靠性有著非凡的意義，本文首先介紹幾種不同的解析壽命模型，對(duì)于不同的模型，考慮的因素各不相同，在此基礎(chǔ)上，引入物理壽命模型。通過將兩種不同類型的預(yù)測(cè)模型進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)解析壽命模型公式相對(duì)簡單，但沒有反映出物理失效機(jī)理，且通用性差，而物理解析壽命模型是建立在物理失效機(jī)理上對(duì)模塊壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，有著更高的精確性，但計(jì)算相對(duì)復(fù)雜，且研究處于剛剛起步，需要做大量的研究。

通過分析并總結(jié)發(fā)現(xiàn)，失效的方式對(duì)其進(jìn)行壽命的預(yù)測(cè)有著很重要的實(shí)際意義，對(duì)于日后研究變流器等相關(guān)器件的可靠性提供了充足的理論數(shù)據(jù)支撐，為今后的研究工作奠定了的基礎(chǔ)。

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