丁雪妮 陳民鈾 賴 偉 羅 丹 魏云海

多芯片并聯(lián)IGBT模塊老化特征參量甄選研究

丁雪妮 陳民鈾 賴 偉 羅 丹 魏云海

（輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（重慶大學(xué)） 重慶 400044）

多芯片并聯(lián)的絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）是大容量電力電子裝備的核心器件，其運(yùn)行可靠性受到業(yè)界的廣泛關(guān)注。甄選能表征多芯片并聯(lián)IGBT模塊老化狀態(tài)的特征參量對(duì)系統(tǒng)主動(dòng)運(yùn)維和可靠性提升十分重要。該文以英飛凌1.7kV多芯片并聯(lián)封裝IGBT模塊為研究對(duì)象，對(duì)比分析芯片焊料層老化和鍵合線脫落對(duì)電-熱-磁特性影響規(guī)律，提出磁感應(yīng)強(qiáng)度作為多芯片并聯(lián)IGBT模塊疲勞失效狀態(tài)監(jiān)測(cè)的特征量。首先，建立多芯片并聯(lián)IGBT模塊穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通等效電路，定性分析模塊退化與磁感應(yīng)強(qiáng)度的耦合關(guān)系；其次，基于模塊的三維電-熱-磁有限元模型研究多芯片并聯(lián)IGBT模塊電、熱、磁參量在老化失效中的變化規(guī)律和靈敏性。結(jié)果表明，磁感應(yīng)強(qiáng)度在兩種失效模式中靈敏性均最高，并不受環(huán)境溫度變化的影響，而且在測(cè)量中可以避免與模塊電路的直接接觸，對(duì)模塊的正常運(yùn)行影響較小，因此適合作為多芯片并聯(lián)功率模塊運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)的特征參量。

多芯片并聯(lián)IGBT 磁感應(yīng)強(qiáng)度 老化特征參量 狀態(tài)監(jiān)測(cè)

0 引言

為了實(shí)現(xiàn)電能的高效轉(zhuǎn)換和靈活控制，電力電子變換和控制技術(shù)越來越廣泛地應(yīng)用于新能源發(fā)電并網(wǎng)、柔性交直流輸電、電動(dòng)汽車及充電裝置、軌道交通電力牽引等領(lǐng)域，而電力電子變換裝置也成為應(yīng)用系統(tǒng)的關(guān)鍵裝置，在很大程度上決定著應(yīng)用系統(tǒng)的效率、能耗、成本和可靠性。根據(jù)工業(yè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，光伏發(fā)電系統(tǒng)37%的計(jì)劃外維護(hù)和59%的故障相關(guān)成本是由光伏逆變器故障造成的[1]，而風(fēng)機(jī)系統(tǒng)[2]和交流變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)[3]的故障也主要由功率變換器故障導(dǎo)致。電力電子變換裝置通常由功率半導(dǎo)體器件、驅(qū)動(dòng)電路、儲(chǔ)能元件和控制電路等部分組成，其故障主要由功率半導(dǎo)體器件失效引起，約占34%[4]。因此，為降低電力電子變換裝置故障率，提高系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性，滿足更嚴(yán)格的安全和成本約束，發(fā)展功率半導(dǎo)體器件狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)的需求在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界變得越發(fā)迫切[5-6]。

隨著高壓、大電流應(yīng)用領(lǐng)域?qū)﹄娏﹄娮幼儞Q裝置需求的增加，以IGBT為主的功率半導(dǎo)體器件向大容量、標(biāo)準(zhǔn)模塊化方向發(fā)展，通過多芯片并聯(lián)模塊的形式滿足功率密度需求[7]。多芯片并聯(lián)模塊在功率循環(huán)中存在不均勻的溫度分布，溫度最高的芯片和溫度最低的芯片間存在最大5～15℃的差異[8]，因此各芯片焊料層或鍵合線老化失效速度并不一致，即存在不均勻老化。在多芯片并聯(lián)模塊中，每個(gè)芯片的健康狀態(tài)和可靠性共同決定模塊整體的健康狀態(tài)和可靠性。傳統(tǒng)老化狀態(tài)參量大多適用于分立器件或單芯片開關(guān)功率模塊的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，但無法對(duì)多個(gè)硅芯片并聯(lián)組成一個(gè)開關(guān)的大功率IGBT模塊的健康狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)和評(píng)估?，F(xiàn)有研究分別基于柵極信號(hào)[9]、閾值電壓[10]和跨導(dǎo)[11]對(duì)多于10個(gè)IGBT芯片并聯(lián)的模塊中鍵合線脫落引起的失效芯片數(shù)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)評(píng)估，但對(duì)于并聯(lián)IGBT芯片數(shù)量少于10個(gè)的模塊，一個(gè)芯片失效即模塊整體失效，由于并聯(lián)芯片連接于同一終端，基于模塊端部電氣特性參數(shù)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法不能在模塊失效前對(duì)模塊內(nèi)部不均勻老化進(jìn)行量化評(píng)估。此外，受不平衡的溫度分布、電流分布等影響，基于平均結(jié)溫或平均殼溫的方法對(duì)模塊整體老化狀態(tài)的評(píng)估會(huì)偏離實(shí)際狀態(tài)。文獻(xiàn)[12]因此提出基于芯片對(duì)應(yīng)殼溫差值變化監(jiān)測(cè)多芯片并聯(lián)IGBT模塊基板焊料健康狀態(tài)和失效位置，但殼溫差值變化較小，對(duì)測(cè)量精度要求較高。文獻(xiàn)[13]通過輸入殼溫、散熱器表面溫度、散熱器進(jìn)出水溫和環(huán)境溫度，結(jié)合兩級(jí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)模塊實(shí)際健康狀況進(jìn)行分類判別，但需要大量數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練。隨著日益增長(zhǎng)的大容量電力電子裝置需求和不斷提高的應(yīng)用可靠性要求，甄選能夠表征多芯片并聯(lián)IGBT模塊不均勻老化狀態(tài)且更加便于監(jiān)測(cè)的老化特征參量變得越來越重要。

本文通過對(duì)比分析電-熱-磁等參數(shù)與老化狀態(tài)的映射關(guān)系和響應(yīng)靈敏度，提出一種可用于多芯片并聯(lián)IGBT模塊不均勻老化狀態(tài)監(jiān)測(cè)新的老化特征參量，為準(zhǔn)確的多芯片IGBT模塊準(zhǔn)在線、在線狀態(tài)評(píng)估提供支撐。首先，基于多芯片并聯(lián)焊接式封裝IGBT模塊穩(wěn)態(tài)等效電路模型，定性分析焊料層疲勞和鍵合線脫落兩種主要老化失效過程中模塊電、熱、磁特性的退化。其次，建立多芯片并聯(lián)IGBT模塊的三維電-熱-磁有限元模型，通過模型仿真得到模塊電、熱、磁特性的退化規(guī)律，基于對(duì)老化響應(yīng)的靈敏度和監(jiān)測(cè)可行性，甄選出磁感應(yīng)強(qiáng)度作為多芯片并聯(lián)IGBT模塊老化的狀態(tài)監(jiān)測(cè)參量。最后，通過穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)多芯片并聯(lián)IGBT模塊老化靈敏度較高，因此在準(zhǔn)在線或在線狀態(tài)可基于磁感應(yīng)強(qiáng)度變化對(duì)多芯片并聯(lián)IGBT模塊健康狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和評(píng)估。

1 多芯片并聯(lián)IGBT模塊電熱磁特性的退化分析

本文選取英飛凌多芯片并聯(lián)FF450R17ME4 IGBT模塊為研究對(duì)象，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及電路拓?fù)淙鐖D1所示，是由6個(gè)IGBT芯片及其反并聯(lián)的續(xù)流二極管（Freewheeling Diode, FWD）組成的半橋模塊。根據(jù)其數(shù)據(jù)手冊(cè)中的IGBT輸出特性曲線，當(dāng)集電極工作電流C較小時(shí)，導(dǎo)通壓降集射極電壓CE隨結(jié)溫j的升高而降低；而在實(shí)際工作電流范圍內(nèi)，CE隨j上升而增大，C、CE和j關(guān)系理論上可以表示為[14]

式中，0和0分別為在參考溫度j0時(shí)的閾值電壓和IGBT芯片導(dǎo)通電阻[15]；1和2分別為導(dǎo)通壓降和芯片導(dǎo)通電阻的溫度系數(shù)。

當(dāng)工作電流一定時(shí)，式（1）可以改寫成

其中

多芯片并聯(lián)IGBT模塊處于穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，模塊上橋臂集射極端等效電路可以簡(jiǎn)化成圖1所示，其中S為IGBT芯片焊料層電阻；C為IGBT芯片導(dǎo)通電阻，存在正溫度系數(shù)；W為與IGBT芯片相連的鍵合線總電阻。模塊上橋臂集射極等效電路中每個(gè)芯片對(duì)應(yīng)分支電阻可以表示為

式中，為芯片i的集射極電阻。

在等效電路中存在以下關(guān)系

由式（6）～式（8）可得流經(jīng)每個(gè)芯片的電流

假設(shè)連接芯片與銅層的每根鍵合線不存在明顯差異，則流經(jīng)芯片的電流在鍵合線上均勻分流。將鍵合線看作多根平行的有限長(zhǎng)直載流導(dǎo)體，根據(jù)畢奧-薩伐爾定律和疊加定理可以得到一個(gè)芯片上所有鍵合線在空間任意一點(diǎn)所激發(fā)的總磁感應(yīng)強(qiáng)度total,i為

式中，為每個(gè)芯片上鍵合線總數(shù)量；0為真空磁導(dǎo)率；r為材料相對(duì)磁導(dǎo)率；d為電流元單位向量；為電流元與待求場(chǎng)點(diǎn)距離的單位向量。對(duì)于單根有限長(zhǎng)直載流導(dǎo)體，在相同距離下中軸線上的點(diǎn)產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度最大，而對(duì)于多根平行的有限長(zhǎng)直載流導(dǎo)體形成的導(dǎo)線排，位于導(dǎo)線排中心點(diǎn)由于到每根導(dǎo)線距離總和最短，存在最大總磁感應(yīng)強(qiáng)度。

根據(jù)式（9）～式（11）可知，當(dāng)某芯片焊料層老化時(shí)，芯片焊料層有效導(dǎo)熱面積減小，對(duì)應(yīng)熱阻增大，老化芯片結(jié)溫上升，其導(dǎo)通電阻增大，因此老化支路總電阻增大。流經(jīng)各芯片支路的電流重新分流，老化支路電流減小，而其他支路電流增大。電流的變化進(jìn)一步反映在鍵合線激發(fā)的磁感應(yīng)強(qiáng)度上。流經(jīng)老化支路的電流減小，根據(jù)式（12）可知，老化芯片鍵合線在芯片上方同一點(diǎn)產(chǎn)生的總磁感應(yīng)強(qiáng)度方向不變，幅值減小，總磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值減小；流經(jīng)其余支路電流增加，同理其余芯片鍵合線在芯片上方同一點(diǎn)產(chǎn)生的總磁感應(yīng)強(qiáng)度方向不變，幅值增大，總磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值增大?？偞鸥袘?yīng)強(qiáng)度最大值與流經(jīng)芯片的電流大小成正比。

當(dāng)某芯片鍵合線開始脫落時(shí)，鍵合線總電阻增大，但對(duì)熱阻影響不大，所以芯片結(jié)溫不會(huì)產(chǎn)生較大波動(dòng)，芯片導(dǎo)通電阻也不會(huì)明顯增大。此外，鍵合線電與芯片導(dǎo)通電阻相比相對(duì)較小，因此在少量鍵合線脫落時(shí)不會(huì)引起支路總電阻發(fā)生較大改變，也不會(huì)引起老化分支電流減小，但老化芯片因?yàn)殒I合線數(shù)量的減少，流經(jīng)剩余鍵合線的電流重新均流變大，使得剩余鍵合線在同一點(diǎn)產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度方向不變，幅值增大，該點(diǎn)總磁感應(yīng)強(qiáng)度方向和大小都發(fā)生改變，總磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值位置和大小均發(fā)生改變；流經(jīng)其余支路電流沒有明顯增加，其鍵合線在芯片上方同一點(diǎn)產(chǎn)生的總磁感應(yīng)強(qiáng)度方向不變，幅值也沒有明顯增加，總磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值同樣基本保持不變。

綜上可知，磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)模塊芯片焊料層疲勞和鍵合線脫落均具有敏感性，同時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度的測(cè)量并不需要侵入模塊電路[16]，不會(huì)影響模塊正常運(yùn)行。因此，將通過多物理場(chǎng)有限元仿真進(jìn)一步量化分析和對(duì)比模塊電、熱、磁特征參量對(duì)焊料層老化或鍵合線脫落的靈敏度。

2 多芯片IGBT器件多物理場(chǎng)有限元模型

當(dāng)IGBT模塊運(yùn)行時(shí)，芯片及鍵合線在開通關(guān)斷過程中產(chǎn)生損耗成為主要熱源，通過熱傳導(dǎo)引起IGBT模塊各層結(jié)構(gòu)溫度變化，而模塊的材料屬性，如硅芯片電阻率，隨溫度變化而變化。因此，研究考慮電熱耦合效應(yīng)，建立該模塊的三維電-熱-磁有限元模型，并驗(yàn)證有限元模型的有效性，從而能通過模型仿真得到模塊電、熱、磁特性的退化規(guī)律，量化分析其對(duì)老化響應(yīng)的靈敏度。

2.1 IGBT有限元模型建立

多芯片并聯(lián)IGBT模塊結(jié)構(gòu)尺寸及各層材料參數(shù)見表1，其中IGBT芯片的電阻率隨溫度變化。在工作電流一定時(shí)，根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)IGBT輸出特性曲線及式（2）可以計(jì)算出IGBT芯片在不同溫度下的電阻及其溫度系數(shù)3，而根據(jù)IGBT芯片三維尺寸和式（13）可以計(jì)算出IGBT芯片在不同溫度下的電阻率。在結(jié)溫為25℃時(shí)部分電流對(duì)應(yīng)的電阻率和電阻溫度系數(shù)見表2。

式中，為芯片電阻；為電阻率；為芯片厚度；為芯片面積。

表1 IGBT模塊各層材料參數(shù)

表2 IGBT電阻率及電阻溫度系數(shù)

與續(xù)流二極管相比，IGBT芯片在開關(guān)過程中由于產(chǎn)生更大的損耗而承受更大的熱應(yīng)力，同時(shí)結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，其更易失效[14]。因此，本研究著眼于多芯片并聯(lián)IGBT模塊內(nèi)部IGBT的健康狀況，忽略二極管的影響。因模塊上下橋臂布局結(jié)構(gòu)基本一致，在三維模型幾何結(jié)構(gòu)中將上橋臂中續(xù)流二極管芯片和下橋臂中所有芯片的鍵合線去掉，僅模擬上橋臂導(dǎo)通狀態(tài)。當(dāng)上橋臂IGBT導(dǎo)通時(shí)，恒定電流從模塊集電極流入，通過鍵合線流入上橋臂上銅層，流經(jīng)三個(gè)并聯(lián)的IGBT芯片，再通過IGBT芯片表面的鍵合線流入下橋臂的上銅層。因此，在三維模型電流場(chǎng)中，對(duì)上橋臂芯片上銅層施加激勵(lì)電流，同時(shí)將下橋臂上銅層設(shè)置為接地，如圖2所示。由于硅凝膠和陶瓷層起絕緣作用，硅凝膠、陶瓷層及陶瓷層以下的材料層在電場(chǎng)中被設(shè)置為電絕緣區(qū)域。在三維模型電磁場(chǎng)中，模塊的初始磁矢勢(shì)為0Wb/m。IGBT模塊在運(yùn)行時(shí)底部與散熱器相連，對(duì)于大功率模塊通常采用水冷散熱，因此在模型中在基板底面設(shè)置強(qiáng)制水冷散熱，水流流速為0.5m/s，水溫為20℃，由于硅凝膠的熱導(dǎo)率較小以及基板四周的自然空氣對(duì)流影響較小，模塊產(chǎn)生的熱量主要通過熱傳導(dǎo)向下傳遞，通過基板底部散熱，因此除基板底部外其余接觸面均設(shè)為熱絕緣界面，環(huán)境溫度設(shè)置為20℃。

圖2 IGBT模塊電-熱-磁有限元模型

在模型求解過程中，根據(jù)傳熱學(xué)、電磁學(xué)和有限元分析理論[17]，電熱磁外特性參量可由式（14）～ 式（19）計(jì)算得到。

當(dāng)模塊通入總激勵(lì)電流分別為90A、150A、210A、270A、330A、390A和450A時(shí)，調(diào)整模型底面對(duì)流散熱系數(shù)使平均結(jié)溫（vj）分別保持在25℃、125℃和150℃，得到相應(yīng)IGBT導(dǎo)通電壓繪制輸出特性曲線，與數(shù)據(jù)手冊(cè)的輸出特性曲線的對(duì)比如圖3所示。從圖3中可知，模型輸出特性曲線和數(shù)據(jù)手冊(cè)中的輸出特性曲線具有良好的一致性，最大誤差為0.03V。當(dāng)通入總激勵(lì)電流為300A時(shí)，模塊的瞬態(tài)結(jié)殼熱阻抗（thjc）可以根據(jù)式（20）計(jì)算得到圖4。圖4顯示了仿真得到的穩(wěn)態(tài)結(jié)殼熱阻為0.061K/W，與數(shù)據(jù)手冊(cè)中的穩(wěn)態(tài)結(jié)殼熱阻0.06K/W的誤差在2%以內(nèi)。因此，建立的多芯片并聯(lián)IGBT模塊電-熱-磁有限元模型能夠較好地對(duì)實(shí)際模塊的電熱特性進(jìn)行模擬。

圖4 數(shù)據(jù)手冊(cè)及仿真結(jié)果的瞬態(tài)結(jié)殼熱阻抗曲線

當(dāng)設(shè)置總激勵(lì)電流為150A時(shí)，以IGBT模塊內(nèi)部填充的硅凝膠表面作為測(cè)量平面，磁感應(yīng)強(qiáng)度測(cè)量位置如圖5a表面所示。多芯片并聯(lián)IGBT模塊在測(cè)量平面的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布如圖5b所示，測(cè)量平面的磁感應(yīng)強(qiáng)度主要存在軸和軸方向分量，軸方向分量可以近似為0，同時(shí)無論是在軸方向分量（B）還是軸方向分量分布中，通過芯片鍵合線上方區(qū)域的磁感應(yīng)強(qiáng)度最大，并且由芯片鍵合線四周向芯片鍵合線所在位置遞增，即測(cè)量平面的磁感應(yīng)強(qiáng)度主要由鍵合線產(chǎn)生。選取B作為IGBT模塊磁場(chǎng)分布的代表參量，其分布如圖5c所示，每個(gè)芯片鍵合線對(duì)應(yīng)區(qū)域都存在一個(gè)波峰，波峰頂點(diǎn)為磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值Bmax，與理論分析一致。

圖5 多芯片并聯(lián)IGBT模塊在測(cè)量平面的磁感應(yīng)強(qiáng)度

2.2 有限元模型實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證所建立有限元模型的有效性，通過穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)測(cè)量與多芯片并聯(lián)IGBT模塊電-熱-磁有限元模型仿真輸出的殼溫、電壓和磁感應(yīng)強(qiáng)度結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及測(cè)量原理如圖6所示，設(shè)置可編程電源為恒流源，輸出電流大小分別設(shè)為90A和150A，直流穩(wěn)壓電源提供15V模塊柵極驅(qū)動(dòng)電壓，水冷機(jī)水流流速為0.5m/s，水溫20℃，環(huán)境溫度約為20℃。在IGBT模塊穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通并達(dá)到熱平衡時(shí)，利用熱電偶溫度計(jì)記錄每個(gè)芯片對(duì)應(yīng)的殼溫（c），同時(shí)使用高斯計(jì)測(cè)量每個(gè)芯片鍵合線上方單軸向磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值，并用萬用表測(cè)量模塊的導(dǎo)通壓降（CE_on）。

圖6 穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及測(cè)試原理

實(shí)驗(yàn)所測(cè)模塊殼溫與仿真模型殼溫對(duì)比見表3，仿真殼溫與實(shí)測(cè)殼溫分布趨勢(shì)相同，即芯片M殼溫最高，芯片R殼溫略高于芯片L殼溫，并且仿真殼溫與實(shí)測(cè)殼溫的誤差始終不超過2%。實(shí)驗(yàn)所測(cè)模塊導(dǎo)通壓降與仿真模型導(dǎo)通壓降對(duì)比見表4。實(shí)測(cè)模塊導(dǎo)通壓降與仿真結(jié)果基本一致，誤差在1%以內(nèi)。

表3 實(shí)測(cè)殼溫與仿真殼溫結(jié)果對(duì)比

表4 實(shí)測(cè)模塊導(dǎo)通壓降與仿真導(dǎo)通壓降結(jié)果對(duì)比

實(shí)驗(yàn)所測(cè)模塊磁感應(yīng)強(qiáng)度峰值與仿真模型磁感應(yīng)強(qiáng)度峰值見表5，實(shí)測(cè)值普遍低于仿真值，主要是由于仿真模型并不能將鍵合線形狀和位置1:1還原以及其余線路的干擾，但此差異對(duì)于磁感應(yīng)強(qiáng)度變化規(guī)律的觀察沒有較大影響。實(shí)測(cè)磁感應(yīng)強(qiáng)度比值與仿真磁感應(yīng)強(qiáng)度比值對(duì)比見表6，仿真中磁感應(yīng)強(qiáng)度比值與導(dǎo)通電流比值相同，驗(yàn)證了健康模塊中磁感應(yīng)強(qiáng)度與流經(jīng)電流的正比關(guān)系，而實(shí)測(cè)磁感應(yīng)強(qiáng)度比值與導(dǎo)通電流比值的誤差較小，仍然可以較好地通過理想模型得到實(shí)際模塊的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化規(guī)律。因此，此電-熱-磁三維有限元模型的準(zhǔn)確性滿足要求，可以用來獲取模塊電、熱、磁特性參量的變化規(guī)律。

表5 實(shí)測(cè)模塊磁感應(yīng)強(qiáng)度峰值與仿真磁感應(yīng)強(qiáng)度峰值

表6 實(shí)測(cè)磁感應(yīng)強(qiáng)度比值與仿真磁感應(yīng)強(qiáng)度比值對(duì)比

3 不同老化狀態(tài)下特征參量對(duì)比分析

本節(jié)基于多芯片并聯(lián)IGBT模塊電-熱-磁有限元模型，對(duì)模塊兩種主要失效模式進(jìn)行仿真，進(jìn)一步分析電、熱、磁特性參量在老化失效過程中的退化規(guī)律，對(duì)比分析各特征參量的老化響應(yīng)靈敏度和易監(jiān)測(cè)性。

3.1 焊料層老化

芯片焊料層發(fā)生老化時(shí)，不論是裂紋、分層還是空洞都將減少焊料層有效導(dǎo)熱面積，并且隨著老化程度加深由邊緣向中心發(fā)展，因此定義芯片焊層脫落度來表征焊料層的脫落程度，即脫落部分的面積占總面積的比重[12]，如圖7所示。當(dāng)模塊導(dǎo)通電流為150A時(shí)，IGBT模塊的溫度分布如圖8a所示，取每個(gè)芯片中心點(diǎn)計(jì)算結(jié)溫，芯片R、M、L的結(jié)溫分別為52.1oC、53.4oC、51.1oC。造成芯片R最高溫度略高于芯片L最高溫度的原因是芯片R與基板右側(cè)邊緣距離更近，其熱傳導(dǎo)條件相較芯片L略差。此外，在圖8a中芯片M中高溫（紅色）面積最大，而芯片L高溫（紅色）面積最小。綜上所述，當(dāng)IGBT模塊導(dǎo)通時(shí)，高溫主要集中在芯片中心，并向芯片四周逐漸降低，同時(shí)由于芯片位置布局差異以及芯片間的熱耦合作用強(qiáng)度不同，處于中間位置的芯片的溫度梯度變化范圍最大。

考慮到芯片焊料層溫度梯度變化范圍越大，承受的熱應(yīng)力越大，結(jié)溫越高的芯片的焊料層老化可能性越高，因此通過有限元模型模擬結(jié)溫最高的芯片M的芯片焊料層的老化，以獲得多芯片并聯(lián)IGBT模塊芯片焊料層老化時(shí)模塊電、熱、磁特性的變化規(guī)律。

圖7 芯片焊層脫落度

圖8 IGBT模塊結(jié)溫分布

在IGBT模塊的導(dǎo)通電流為150A，散熱器水流速度為0.5m/s，水溫20℃，環(huán)境溫度為20℃的情況下，設(shè)置芯片M焊料層脫落度分別為0%、12%、23%、33%時(shí)，IGBT模塊結(jié)溫分布如圖8所示。當(dāng)芯片焊料層脫落度為23%時(shí)，相比于健康狀態(tài)，芯片L結(jié)溫上升3.3℃，芯片R結(jié)溫上升3.5℃，芯片M結(jié)溫上升了1.2℃，此時(shí)芯片R結(jié)溫最高，比芯片M略高1℃，而芯片L結(jié)溫與芯片M結(jié)溫相近。當(dāng)芯片焊料層脫落度為33%時(shí)，相比于健康狀態(tài)，芯片L結(jié)溫上升5.3℃，芯片R結(jié)溫上升5.6℃，芯片M結(jié)溫上升了1.7℃，芯片R和芯片L結(jié)溫均高于芯片M結(jié)溫。因此，在芯片M焊料層脫落度增加的過程中，芯片R和芯片L結(jié)溫在整個(gè)老化過程中增幅幾乎一致，且明顯大于芯片M結(jié)溫增幅，如圖9a所示。

IGBT模塊的殼溫變化量隨中心芯片焊料層脫落程度增加的變化如圖9b所示，除了每個(gè)芯片對(duì)應(yīng)殼溫增幅相對(duì)結(jié)溫增幅較小外，殼溫變化量的增長(zhǎng)趨勢(shì)與結(jié)溫變化量增長(zhǎng)趨勢(shì)相同，即殼溫總體隨芯片M焊料層脫落度增加而升高，但芯片M殼溫的上升速度明顯低于左右兩側(cè)芯片殼溫上升的速度。通過結(jié)溫和殼溫的變化，可以看出多芯片并聯(lián)IGBT模塊在芯片焊料層老化下總體變化趨勢(shì)與單芯片開關(guān)模塊類似，即模塊整體溫度上升，但老化芯片并沒有因?yàn)樾酒噶蠈佑行?dǎo)熱面積的減少而出現(xiàn)顯著的溫度上升。

當(dāng)芯片M焊料層脫落度增加時(shí)，IGBT模塊的導(dǎo)通壓降CE_on變化如圖9c所示，隨著芯片M焊料層脫落度增加呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，但增量相對(duì)較小，當(dāng)中間芯片焊料層脫落度為23%時(shí)，即熱阻增加24%時(shí)，CE_on增量約為0.1V。各芯片電流的變化如圖9d所示。當(dāng)模塊處于健康狀態(tài)時(shí)，流經(jīng)各芯片電流基本相等。當(dāng)芯片M焊料層脫落度為23%時(shí)，流經(jīng)芯片M電流隨脫落度的增加而減小，減幅較大，減少了8A，而減少的電流則被芯片R和芯片L均分。因此流經(jīng)左右兩側(cè)芯片的電流不斷增大且基板保持相等。IGBT模塊的不均流現(xiàn)象隨芯片焊料層老化程度的加深而愈發(fā)嚴(yán)重，這與理論分析結(jié)果一致。當(dāng)IGBT模塊導(dǎo)通時(shí)，IGBT芯片的功率損耗（loss）可由式（21）計(jì)算得到，各芯片導(dǎo)通功率損耗隨中間芯片焊料層老化的變化如圖9e所示，隨芯片M焊料層老化程度增加，芯片R和芯片L功率損耗在增幅保持一致下不斷增加，而芯片M功率損耗不斷減少。各芯片功率損耗變化趨勢(shì)與流經(jīng)各芯片電流的變化趨勢(shì)相同。

由于流經(jīng)各芯片電流隨芯片M焊料層老化而變化，而芯片鍵合線電流產(chǎn)生的Bmax與芯片電流成正比，因此Bmax變化也與芯片電流變化趨勢(shì)相同，如圖9f所示。隨著芯片M焊料層脫落度的增加，芯片M鍵合線產(chǎn)生的Bmax_M不斷減小，而芯片R和芯片L鍵合線產(chǎn)生的Bmax_R不斷增大并保持大小一致，增量之和幾乎等于Bmax_M的減量。

綜上分析，隨芯片焊料層脫落度增加，老化芯片對(duì)應(yīng)熱阻增大，結(jié)溫上升，引起老化芯片導(dǎo)通電阻增大，IGBT模塊電流重新分配。健康芯片電流增大，引起功率損耗增大，進(jìn)而相應(yīng)結(jié)溫上升；老化芯片電流減小，相應(yīng)功率損耗減小，但由于熱阻增大及其余芯片的熱耦合作用，芯片結(jié)溫仍然保持上升狀態(tài)。模塊整體溫度升高，其導(dǎo)通壓降增大；由于每個(gè)芯片對(duì)應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值與芯片電流成正比，其變化趨勢(shì)與芯片電流變化趨勢(shì)相同。

由以上分析可知，結(jié)溫、殼溫、導(dǎo)通電流、導(dǎo)通功率損耗和磁感應(yīng)強(qiáng)度均對(duì)芯片焊料層老化具有一定靈敏度，均可作為老化特征參量。對(duì)于焊料層失效，通常使用的失效標(biāo)準(zhǔn)為熱阻增加20%即認(rèn)為失效[18]。同時(shí)，對(duì)于多芯片并聯(lián)模塊，當(dāng)其中10%的芯片失效，可認(rèn)為模塊整體失效[11,19]。針對(duì)多芯片并聯(lián)模塊，當(dāng)其中一個(gè)芯片的熱阻增加20%時(shí)即認(rèn)為芯片失效，此時(shí)IGBT模塊也失效。將一個(gè)芯片熱阻增加24%時(shí)，即脫落度為23%時(shí)的電、熱、磁特征參量值作為芯片焊料層老化相對(duì)靈敏度比較的失效基準(zhǔn)，根據(jù)式（22）計(jì)算并對(duì)比在穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通狀態(tài)下老化特征參量的相對(duì)靈敏度，見表7。

表7 老化特征參量的相對(duì)靈敏度比較

表7所示中間芯片焊料層老化時(shí)電、熱、磁特征參量相對(duì)靈敏度中，各芯片Bmax相對(duì)靈敏度值均高于其CE、j、c以及Ci相對(duì)靈敏度值，而與loss相比，雖然二者均在老化芯片上均表現(xiàn)為負(fù)增長(zhǎng)，與健康芯片上的正增長(zhǎng)不同，但在老化芯片，即中間芯片上Bmax相對(duì)靈敏度明顯高于其loss的相對(duì)靈敏度，甚至高于健康芯片loss的相對(duì)靈敏度，因此老化芯片Bmax對(duì)其焊料層老化最為敏感。此外，由圖10可知，當(dāng)改變環(huán)境溫度時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度不會(huì)隨環(huán)境溫度變化而變化，因此磁感應(yīng)強(qiáng)度相較結(jié)溫和殼溫有較好的準(zhǔn)確性，不會(huì)因環(huán)境溫度變化造成誤判，影響狀態(tài)評(píng)估的準(zhǔn)確性。與導(dǎo)通電流相比，磁感應(yīng)強(qiáng)度的測(cè)量不用與模塊電路直接接觸，對(duì)模塊正常運(yùn)行影響較小。綜上所述，從老化靈敏度和測(cè)量可行性上相較現(xiàn)有的老化特征參量，磁感應(yīng)強(qiáng)度更適合作為多芯片并聯(lián)模塊的焊料層老化狀態(tài)監(jiān)測(cè)變量。

圖10 環(huán)境溫度對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響

3.2 鍵合線脫落

當(dāng)多芯片并聯(lián)IGBT模塊處于健康狀態(tài)時(shí)，中間芯片結(jié)溫最高，由于熱傳導(dǎo)效應(yīng)，其鍵合線溫度最高，且最右側(cè)鍵合線溫度高于其余鍵合線溫度。研究所用IGBT模塊中三個(gè)芯片并聯(lián)構(gòu)成一個(gè)開關(guān)，每個(gè)芯片上有8根鍵合線?？紤]到鍵合線溫度越高，承受熱應(yīng)力越大，溫度最高的鍵合線最脆弱，越容易出現(xiàn)脫落，因此通過有限元模型模擬結(jié)溫最高的芯片M的鍵合線從右向左依次脫落0、1、2、…7根，以研究鍵合線老化程度增加時(shí)多芯片并聯(lián)IGBT模塊電熱磁特征參量的變化規(guī)律。

當(dāng)芯片M鍵合線0～7根逐個(gè)脫落時(shí)，芯片R和L對(duì)應(yīng)結(jié)溫隨之上升，芯片M對(duì)應(yīng)結(jié)溫略有降低，減量?jī)H為0.67℃。三個(gè)芯片的結(jié)溫差距在不斷縮小，直到第7根鍵合線脫落，最高結(jié)溫出現(xiàn)在芯片R上，如圖11a所示。由于熱傳導(dǎo)作用，結(jié)溫改變引起殼溫變化，殼溫的變化趨勢(shì)與結(jié)溫相同，變化量與結(jié)溫變化量相比較小，如圖11b所示。

當(dāng)芯片M鍵合線由右向左脫落根數(shù)增加時(shí)，在模塊總電流不變情況下，由于芯片M鍵合線電阻增大，引起模塊總電阻增大，從而導(dǎo)致多芯片并聯(lián)IGBT模塊導(dǎo)通壓降增大，如圖11c所示，由1.416V增大到1.461V，增量為0.045V。流經(jīng)芯片R和芯片L上電流不斷增大，增量均為1.5A，而芯片M電流不斷減小，減少的量為其余芯片增量之和，如圖11d所示。

當(dāng)芯片M鍵合線從右向左脫落根數(shù)增加時(shí)，每個(gè)芯片鍵合線所產(chǎn)生的Bmax變化趨勢(shì)如圖11f所示。芯片M鍵合線所激發(fā)的Bmax_M隨脫落根數(shù)增加而明顯增大，脫落第7根時(shí)增量達(dá)到262.7μT，主要是因?yàn)槭Ｓ噫I合線中的電流不斷經(jīng)過重新分配后增大。芯片R和L鍵合線所激發(fā)的Bmax_R和Bmax_L在前6根鍵合線脫落時(shí)基本保持不變，在第7根脫落時(shí)略有增加，但增量較小，僅為27.6μT和33.5μT。此外，芯片M鍵合線前4根鍵合線即50%的鍵合線脫落時(shí)?Bmax_M變化較為明顯，但在后50%鍵合線脫落時(shí)變化較小，即后50%鍵合線每根脫落前后Bmax_M差值較小。

綜上分析，隨著芯片鍵合線脫落根數(shù)增加，老化芯片結(jié)溫和殼溫基本保持不變，其電流減少，剩余每根鍵合線電流增大，鍵合線所激發(fā)的磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值也增大；其余芯片結(jié)溫、殼溫、電流略有增加，鍵合線所激發(fā)的磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值基本保持不變；由于總導(dǎo)通電阻增大，模塊導(dǎo)通壓降增大。

現(xiàn)有研究表明，當(dāng)芯片上70%的鍵合線脫落時(shí)，盡管IGBT芯片仍能使用，但由于剩余鍵合線的電流和溫度加速上升，其剩余壽命非常短，可認(rèn)為芯片失效[20-21]。研究所用模塊每個(gè)開關(guān)由三個(gè)芯片并聯(lián)，每個(gè)芯片有8根鍵合線，當(dāng)模塊中一個(gè)芯片的鍵合線脫落6根時(shí)即認(rèn)為芯片失效，此時(shí)IGBT模塊也失效。將一個(gè)芯片6根鍵合線脫落時(shí)的特征參量值作為鍵合線脫落相對(duì)靈敏度比較的失效基準(zhǔn)，根據(jù)式（22）計(jì)算并對(duì)比在穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通狀態(tài)下常用于監(jiān)測(cè)鍵合線脫落狀態(tài)的老化特征參量的相對(duì)靈敏度，老化特征參量的相對(duì)靈敏度比較見表8。在老化特征參量的相對(duì)靈敏度比較中，Bmax對(duì)鍵合線脫落最為敏感，在達(dá)到失效標(biāo)準(zhǔn)時(shí)老化芯片的磁感應(yīng)強(qiáng)度有33.9%的變化，同時(shí)老化芯片的變化明顯高于其余健康芯片。此外，Bmax增加主要是由于鍵合線數(shù)量減少引起剩余鍵合線電流的增大，所以Bmax在少量鍵合線脫落下也有明顯變化。多芯片并聯(lián)IGBT模塊在整體狀態(tài)保持不變時(shí)，Bmax不受環(huán)境溫度變化的影響，如圖12所示。因此，本文提出的磁感應(yīng)強(qiáng)度，從老化靈敏度和測(cè)量可行性上相較現(xiàn)有的老化特征參量，更適合作為多芯片并聯(lián)模塊的鍵合線老化狀態(tài)監(jiān)測(cè)變量。

表8 老化特征參量的相對(duì)靈敏度比較

圖12 IGBT模塊磁感應(yīng)強(qiáng)度分布與環(huán)境溫度的關(guān)系

3.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所提出的基于磁感應(yīng)強(qiáng)度變化監(jiān)測(cè)多芯片并聯(lián)IGBT模塊狀態(tài)方法的有效性，通過剪切鍵合線模擬多芯片并聯(lián)IGBT模塊內(nèi)部不均勻鍵合線老化，并在恒導(dǎo)通狀態(tài)下測(cè)量Bmax。根據(jù)表9所列IGBT模塊老化程度將鍵合線逐根剪斷，在IGBT模塊穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通并達(dá)到熱穩(wěn)定時(shí)，使用高斯計(jì)測(cè)量每個(gè)芯片鍵合線在硅凝膠測(cè)量平面單軸向磁感應(yīng)強(qiáng)度峰值Bmax，如圖13所示。實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果如圖14所示。雖然實(shí)驗(yàn)測(cè)量Bmax較仿真結(jié)果整體偏小，但整體變化趨勢(shì)與仿真結(jié)果基本一致：當(dāng)一個(gè)芯片出現(xiàn)鍵合線脫落，其Bmax立刻出現(xiàn)明顯增長(zhǎng)，而其余未出現(xiàn)鍵合線脫落的芯片的Bmax基本保持不變。

表9 不同老化程度下芯片鍵合線脫落根數(shù)

圖13 Bxmax仿真值的變化

圖14 Bxmax實(shí)測(cè)值的變化

圖15顯示了老化芯片當(dāng)下狀態(tài)和健康狀態(tài)磁感應(yīng)強(qiáng)度差值ΔBmax的實(shí)測(cè)值與仿真值對(duì)比，不論是實(shí)測(cè)值還是仿真值均表明每次鍵合線脫落伴隨著ΔBmax的明顯增長(zhǎng)，并且二者幅值大致相等，因此通過磁感應(yīng)強(qiáng)度變化可以對(duì)多芯片并聯(lián)IGBT模塊鍵合線脫落進(jìn)行量化分析。

圖15 不同老化程度下ΔBxmax仿真值和實(shí)測(cè)值對(duì)比

4 結(jié)論

本文基于多芯片IGBT模塊穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通等效電路模型分析了模塊電、熱、磁外特征參量在模塊老化失效過程中的變化特性，建立模塊電-熱-磁三維有限元模型，仿真分析得到模塊芯片焊料層老化和鍵合線脫落中電、熱、磁特征參量的變化規(guī)律，通過老化響應(yīng)靈敏度和可觀性比較，表明了磁感應(yīng)強(qiáng)度變化適用于多芯片器件狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

在模塊老化規(guī)律研究中，通過仿真發(fā)現(xiàn)，不同于單芯片模塊，多芯片并聯(lián)模塊單個(gè)芯片焊料層老化時(shí)，老化芯片的結(jié)溫增幅較小并且功率損耗不斷減少。在芯片焊料層脫落時(shí)，對(duì)比分析結(jié)溫、殼溫、導(dǎo)通電流、功率損耗和磁感應(yīng)強(qiáng)度的相對(duì)靈敏度，發(fā)現(xiàn)磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)芯片焊料層老化的靈敏度最高，同時(shí)測(cè)量結(jié)果不受環(huán)境溫度的影響，并且在測(cè)量時(shí)可以避免與模塊的直接接觸，對(duì)模塊的正常運(yùn)行影響較小，因此利用磁感應(yīng)強(qiáng)度變化監(jiān)測(cè)多芯片模塊內(nèi)部芯片焊料層老化具有較高的可行性和實(shí)用性。

針對(duì)芯片鍵合線脫落，不論老化芯片的結(jié)溫、殼溫、電流、功率損耗還是模塊導(dǎo)通電壓在前期少量鍵合線脫落時(shí)均沒有明顯變化，但老化芯片剩余鍵合線產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度卻明顯增大。此外，在芯片上70%的鍵合線脫落的失效標(biāo)準(zhǔn)下，磁感應(yīng)強(qiáng)度變化具有33.9%的相對(duì)靈敏度，遠(yuǎn)高于其他老化特征參量的相對(duì)靈敏度，更適合作為多芯片并聯(lián)IGBT模塊老化狀態(tài)監(jiān)測(cè)的特征參量。

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Selection of Aging Characteristic Parameter for Multi-Chips Parallel IGBT Module

Ding Xueni Chen Minyou Lai Wei Luo Dan Wei Yunhai

（State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Security and New Technology Chongqing University Chongqing 400044 China）

Multi-chips parallel Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) is the key device of large-capacity power electronic equipment, and its operational reliability has been widely concerned by the industry. Selecting the characteristic parameter which can characterize the aging state of multi-chips parallel IGBT devices is very important for the active maintenance and improvement of reliability of the system. In this paper, the effects of solder layer aging and bond wire lift-off on the electro-thermal-magnetic characteristics of the Infineon's 1.7kV multi-chips parallel IGBT module are analyzed, and the magnetic flux density is proposed as the characteristic parameter for condition monitoring of the multi-chips parallel IGBT module fatigue failure. Firstly, the steady-state conduction equivalent circuit of multi-chips parallel IGBT module was established, and the coupling relationship between module degradation and magnetic flux density was qualitatively analyzed. Secondly, based on the three-dimensional electro-thermal-magnetic finite element model, the variation and sensitivity of electro-thermal-magnetic parameters of multi-chips parallel IGBT module during aging failure process were studied. Results show that the magnetic flux density has the highest sensitivity in both failure modes, and is not affected by the change of ambient temperature. In addition, direct contact with the module circuit can be avoided during the measurement, which has little impact on the normal operation of the module. Therefore, magnetic flux density is suitable to be used as the characteristic parameter for condition monitoring of multi-chips parallel power module.

Multi-chips parallel IGBT module, magnetic flux density, aging characteristic parameter, condition monitoring

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.210792

TM 46

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2018YFB0905800）、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)（2020CDJQY-A026）和國(guó)家自然科學(xué)基金（51707024）資助項(xiàng)目。

2021-06-01

2021-08-04

丁雪妮 女，1994年生，碩士，研究方向?yàn)楣β拾雽?dǎo)體器件可靠性。E-mail：dingxn@cqu.edu.cn

賴 偉 男，1986年生，博士，副教授，研究方向?yàn)殡娏﹄娮悠骷煽啃詨勖：蜖顟B(tài)監(jiān)測(cè)研究。E-mail：laiweicqu@126.com（通信作者）

（編輯 郭麗軍）