向超群 尹雪瑤 成 庶 于天劍 張璐琳

(中南大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院 長沙 410075)

1 引言

自20世紀(jì)90年代以來，IGBT逐漸成為軌道智能功率電子開關(guān)模塊首選，取得重要應(yīng)用地位。IGBT模塊能夠獲得廣泛應(yīng)用主要源于其同時(shí)兼顧了場(chǎng)效應(yīng)晶體管MOSFET和電力晶體管GTR兩者的優(yōu)點(diǎn)，具有低開關(guān)損耗、高開關(guān)頻率、小型化、效率高等卓越性能。然而，應(yīng)用于軌道交通領(lǐng)域的IGBT器件自投入運(yùn)行起，就要承受著各種復(fù)雜的環(huán)境溫度變化、猛烈的機(jī)械沖擊及不可避免的老化損耗。因此，為了守護(hù)人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全，為了節(jié)約企業(yè)經(jīng)營成本，提高產(chǎn)品利用率，為了交通運(yùn)輸事業(yè)能夠平穩(wěn)平安發(fā)展，對(duì)IGBT器件進(jìn)行壽命優(yōu)化控制研究是十分必要的。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，IGBT器件發(fā)生故障大多數(shù)情況下是熱-電-機(jī)械應(yīng)力方面出現(xiàn)問題[1]，而焊料層裂紋及空洞的增加與鍵合線的脫落往往是IGBT失效的主要原因[2]。目前，針對(duì)IGBT 器件可靠性的研究，使用功率循環(huán)試驗(yàn)來進(jìn)行壽命耐久性測(cè)試是常見的方法之一。IGBT功率循環(huán)試驗(yàn)的主要目的是通過功率循環(huán)測(cè)試機(jī)器縮短IGBT模塊老化周期，有效地得到失效相關(guān)壽命特征參量隨使用循環(huán)周期(時(shí)間)的變化規(guī)律，建立老化失效模型，為探究相應(yīng)IGBT失效機(jī)理與建立IGBT壽命評(píng)估方案提供可靠支撐。常見的老化指標(biāo)包括電學(xué)參數(shù)(飽和壓降VCE(on)、閾值電壓Vth、耐壓BV、漏電Ices、開通延遲時(shí)間ton和關(guān)斷延遲時(shí)間toff等)、結(jié)溫、殼溫、穩(wěn)態(tài)熱阻等[3-4]。對(duì)于交通行業(yè)的發(fā)展來說，如果能夠針對(duì)IGBT模塊，通過試驗(yàn)獲得詳盡的疲勞累積損傷數(shù)值，并且加以分析，推斷出模塊剩余壽命區(qū)間，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)在模塊失效前就予以更換，還能夠科學(xué)地安排修理檢查計(jì)劃，達(dá)到大大降低安全風(fēng)險(xiǎn)的目的。

針對(duì)IGBT器件功率老化試驗(yàn)，國內(nèi)外已有大量研究。文獻(xiàn)[5]針對(duì)功率循環(huán)試驗(yàn)過程的優(yōu)化，通過電感將兩個(gè)三相變換器相結(jié)合構(gòu)建了一個(gè)全新的功率循環(huán)試驗(yàn)電路，有效模擬了實(shí)際情況下功率循環(huán)老化過程。但該文獻(xiàn)對(duì)于結(jié)溫估算需要的相關(guān)數(shù)據(jù)比較多，實(shí)際工況下比較難獲得。文獻(xiàn)[6]通過測(cè)量IGBT模塊外殼溫度信息，結(jié)合鍵合線脫落程度來監(jiān)測(cè)模塊老化情況，但該方法需要排除外部熱源的溫度干擾?？紤]到以上原因，文獻(xiàn)[7]提出將對(duì)溫度反應(yīng)不敏感的集射極飽和壓降VCE(on)作為試驗(yàn)的失效預(yù)兆特征參數(shù)，可以減小誤差，并驗(yàn)證了該參量與溫度基本沒有相關(guān)性。但該文獻(xiàn)對(duì)于集射極飽和壓降VCE(on)的在線準(zhǔn)確測(cè)量方法依舊存在問題，缺少實(shí)際可行性。文獻(xiàn)[8]通過試驗(yàn)證明飽和壓降VCE(on)在升高一段時(shí)間后突然陡升，說明IGBT已經(jīng)失效。文獻(xiàn)[9]研究了負(fù)載電流對(duì)老化的影響，通過將所測(cè)負(fù)載電流峰值與IGBT老化失效程度進(jìn)行聯(lián)系分析，得出負(fù)載電流過大確實(shí)會(huì)縮短IGBT壽命的結(jié)論。文獻(xiàn)[10]針對(duì)峰值柵極電流IGPeak來預(yù)測(cè)多芯片并聯(lián)IGBT模塊老化程度，但實(shí)際工況下峰值柵極電流難以監(jiān)測(cè)。而文獻(xiàn)[11]針對(duì)傳統(tǒng)焊接式IGBT壽命優(yōu)化在工藝層次難以突破的問題，分析了壓接式IGBT相較于焊接式的優(yōu)勢(shì)，并利用功率老化試驗(yàn)對(duì)壓接式IGBT失效演化過程進(jìn)行了研究，證明微動(dòng)磨損是導(dǎo)致壓接式IGBT失效的主要原因。但該文獻(xiàn)主要研究對(duì)象為單芯片IGBT，對(duì)于實(shí)際工作下多芯片并聯(lián)的情況缺少參考。

雖然功率循環(huán)老化試驗(yàn)的研究成果顯著，但目前的壽命估算研究大多針對(duì)的是一般工況下電源IGBT模塊壽命預(yù)測(cè)，對(duì)于經(jīng)歷極端環(huán)境的車下電源IGBT模塊缺少足夠的研究。與此同時(shí)，考慮到極端環(huán)境本身不具有固定的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，具體問題具體分析，故該試驗(yàn)專門選用了途徑青藏高原的青藏線客車車下電源IGBT作為試驗(yàn)對(duì)象，通過功率循環(huán)試驗(yàn)的方法，研究嚴(yán)酷環(huán)境下客車組關(guān)鍵設(shè)備車下輔助逆變電源IGBT壽命的特征參數(shù)變化規(guī)律。

2 功率循環(huán)試驗(yàn)相關(guān)理論

為了獲得失效預(yù)兆特征參數(shù)隨時(shí)間/里程的變化規(guī)律，研究人員常常使用功率循環(huán)試驗(yàn)來模擬實(shí)際老化情況，因此本節(jié)將對(duì)涉及的相關(guān)理論進(jìn)行闡述。

2.1 IGBT模塊失效機(jī)理

20世紀(jì)70年代中期，為了解決絕緣半導(dǎo)體器件分散安裝情況下所需要的散熱器成本過高的問題，功率模塊的發(fā)明應(yīng)運(yùn)而生，使大量器件能夠被封裝在同一個(gè)模塊中，并同時(shí)兼顧散熱、電氣連接和保護(hù)驅(qū)動(dòng)電路等功能[12]。電力電子器件模塊封裝不但減少了成本，縮小了電力電子器件體積，而且從實(shí)用層面也有效提高了運(yùn)作效率。該種方法流傳至今，并在國內(nèi)外研究人員的不懈努力下得到快速發(fā)展。目前市面上最常見的兩種封裝模式是焊接式和壓接式，考慮到輔助逆變電源的實(shí)際要求和篇幅情況，本文將只對(duì)焊接式IGBT模塊進(jìn)行介紹。

焊接式IGBT模塊封裝基本結(jié)構(gòu)如圖1所示[13]。由于IGBT模塊封裝本質(zhì)上是一個(gè)或多個(gè)IGBT芯片的特定分層結(jié)構(gòu)組合，一般來說，各層熱膨脹系數(shù)具有較大差別，在相同的熱應(yīng)力作用情況下發(fā)生的形變也不一，從而引發(fā)模塊內(nèi)部由于機(jī)械力而導(dǎo)致的焊料層裂紋增加與鍵合線的脫落，致使模塊發(fā)生封裝級(jí)失效。文獻(xiàn)[14]表明，當(dāng)結(jié)溫差小于80 ℃時(shí)，焊料層裂紋與空洞的增加是導(dǎo)致IGBT模塊失效的主要原因；而當(dāng)結(jié)溫差大于100 ℃時(shí)，IGBT模塊失效的原因主要來自鍵合線的脫落。從試驗(yàn)現(xiàn)象來看，使用掃描聲學(xué)顯微鏡檢查芯片與DBC之間、DBC與散熱底板之間的分層空洞情況，進(jìn)行循環(huán)老化試驗(yàn)后的空洞率比起試驗(yàn)前將明顯增加。

圖1 焊接式IGBT模塊封裝基本結(jié)構(gòu)

IGBT模塊的另一種主要失效方式為芯片級(jí)失效，即由于電氣過應(yīng)力、靜電荷放電、擎柱效應(yīng)或電遷徙導(dǎo)致鋁金屬重構(gòu)而發(fā)生的芯片內(nèi)部故障，但該種失效方式的主要原因是芯片生產(chǎn)不合格或操作使用不當(dāng)，可以避免。

2.2 功率循環(huán)試驗(yàn)

對(duì)于IGBT的可靠性與壽命估計(jì)研究來說，獲得失效預(yù)兆特征參數(shù)隨壽命老化過程變化的變化規(guī)律是十分重要的。但是，若要依靠IGBT自然老化獲得數(shù)據(jù)的方法，則要花費(fèi)漫長且難以估計(jì)的時(shí)間成本，功率循環(huán)加速測(cè)試試驗(yàn)的出現(xiàn)解決了這個(gè)問題。功率循環(huán)測(cè)試的主要原理是模擬IGBT器件實(shí)際工作電氣狀態(tài)，通過高頻通斷大電流來對(duì)所測(cè)試器件施加功率[15]，又保證撤出功率后快速散熱到初始溫度，使器件在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生周期性的溫度變化，獲得高于正常情況下的熱損耗，從而達(dá)到加速器件老化的目的。

IGBT老化試驗(yàn)原理圖如圖2所示。測(cè)試開始之前，閉合開關(guān)S2，先通過測(cè)試電流得到待測(cè)器件(Device under test，DUT)的失效預(yù)兆特征參數(shù)初始情況(測(cè)試電流一般為10～100 mA的恒流，產(chǎn)生的負(fù)載損耗可以忽略)；測(cè)試開始后關(guān)斷開關(guān)S2，閉合開關(guān)S1，使DC加熱電流Ih通過待測(cè)器件產(chǎn)生功率損耗并且發(fā)熱；按照事先選擇的老化控制策略要求，在合適的時(shí)機(jī)關(guān)斷DC負(fù)載電流，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并借助圍繞待測(cè)器件周圍的散熱器快速冷卻至初始溫度，此為一個(gè)循環(huán)周期，之后繼續(xù)重復(fù)以上步驟，直至待測(cè)器件失效。

圖2 IGBT老化試驗(yàn)原理圖

根據(jù)不同的與老化循環(huán)相關(guān)參數(shù)的范圍來安排通斷時(shí)間，即不同的老化控制策略，所得到的預(yù)測(cè)壽命往往也會(huì)有不同結(jié)果[16]。目前，常用的功率循環(huán)測(cè)試的老化控制策略主要有四種，分別是固定導(dǎo)通關(guān)斷時(shí)間策略、固定殼溫波動(dòng)策略、固定功耗策略與固定結(jié)溫波動(dòng)策略。在初始測(cè)試條件相同的情況下，對(duì)同種類型的器件使用四種老化控制策略，得到的壽命估計(jì)值相差很大，固定結(jié)溫波動(dòng)策略得出的壽命估計(jì)周期數(shù)可達(dá)固定導(dǎo)通關(guān)斷時(shí)間策略的三倍之多。由此也可以得出，在四種老化控制策略中，對(duì)IGBT器件質(zhì)量最嚴(yán)苛的是固定導(dǎo)通關(guān)斷時(shí)間策略。該策略要求以固定不變的設(shè)定時(shí)間間隔通斷負(fù)載大電流，以獲得老化過程中的退化數(shù)據(jù)?？紤]到研究結(jié)果的實(shí)用性與可靠性，本試驗(yàn)采用的也是該策略。固定導(dǎo)通關(guān)斷時(shí)間的控制時(shí)序如圖3 所示。

圖3 固定導(dǎo)通關(guān)斷時(shí)間的控制時(shí)序

在功率循環(huán)測(cè)試中，由于本質(zhì)是人為加速器件老化，因此可以快速獲得多種失效預(yù)兆特征參數(shù)的變化規(guī)律與變化多少。當(dāng)參數(shù)變化達(dá)到規(guī)定的范圍，通常認(rèn)為測(cè)試器件已經(jīng)失效。

2.3 本試驗(yàn)相關(guān)參數(shù)

考慮到實(shí)際工況下的需要，本試驗(yàn)的參數(shù)測(cè)試項(xiàng)選擇為飽和壓降VCE(sat)、集電極漏電流ICES、門極與發(fā)射極閾值電壓VGE(th)和門極漏電流IGES等四項(xiàng)靜態(tài)參數(shù)與熱阻。本節(jié)將依次分析五項(xiàng)參數(shù)的測(cè)量方法與特點(diǎn)。

飽和壓降VCE(sat)，被定義為在集電極電流Ic和柵極偏置電壓Vge確定的情況下，集電極和發(fā)射極之間的有效壓降，是目前用于壽命預(yù)測(cè)使用最廣泛的失效預(yù)兆特征參數(shù)之一[17]。

已有研究表明，在IGBT老化失效過程中，飽和壓降VCE(sat)由于受到鍵合線脫落影響，也呈現(xiàn)明顯增大趨勢(shì)[18]，因此選擇該參數(shù)作為壽命預(yù)測(cè)參數(shù)之一。文獻(xiàn)[19]指出當(dāng)器件在同一結(jié)溫相同大小電流下，鍵合線斷裂范圍達(dá)到50%，飽和壓降上升約7%。與此同時(shí)，在將飽和壓降作為特征參數(shù)時(shí)，溫度會(huì)對(duì)飽和壓降的監(jiān)測(cè)造成影響，因此需要對(duì)溫度進(jìn)行補(bǔ)償[20-21]，修正關(guān)系與修正系數(shù)K如式(1)所示

式中，Tj為溫度。

集電極漏電流ICES指的是在IGBT的柵極和發(fā)射極同時(shí)發(fā)生短路時(shí)，電壓源對(duì)被測(cè)IGBT兩端施加規(guī)定的電壓VCE，通過集電極和發(fā)射極回路之間的漏電流。而門極漏電流IGES則指的是在IGBT的集電極和發(fā)射極同時(shí)發(fā)生短路時(shí)，電壓源對(duì)被測(cè)IGBT兩端施加規(guī)定的電壓VGE，通過柵極和發(fā)射極回路之間的漏電流。這兩種漏電流都是評(píng)價(jià)IGBT狀態(tài)的重要參數(shù)，因此也常常被作為反映老化損傷的參量。

文獻(xiàn)[22]表明，當(dāng)IGBT器件老化損傷后，柵極、發(fā)射極和基區(qū)硅材料都會(huì)發(fā)生一定程度的性能退化現(xiàn)象，導(dǎo)致相應(yīng)的漏電流發(fā)生變化。以集電極漏電流ICES為例，通常老化試驗(yàn)中柵極電壓Vg小于等于平帶電壓VFB時(shí)，集電極漏電流表示為

式中，ni為本證載流子濃度；Dp為空穴擴(kuò)散系數(shù)；NB為N-基區(qū)摻雜濃度；τp為基區(qū)少子空穴壽命；τsc為空間電荷區(qū)載流子的產(chǎn)生壽命。

由式(2)可得，已知載流子壽命隨遷移率減小逐漸增大，而漏電流隨空穴遷移率減小而減小，即漏電流隨IGBT性能老化退化而不斷增大[23]。

器件能夠?qū)崿F(xiàn)電導(dǎo)調(diào)制并導(dǎo)通所需的最小柵源極電壓被稱為閾值電壓VTH，該參數(shù)僅與發(fā)射極P型基區(qū)摻雜濃度與門極氧化層的厚度有關(guān)。文獻(xiàn)[24]探究了鍵合線脫落與閾值電壓之間的關(guān)系，通過人為控制鍵合線斷裂的數(shù)量，得出結(jié)論為閾值電壓可以作為測(cè)量老化損傷程度的特征參數(shù)選擇。

在閾值電壓特性方面，IGBT的情況與MOSFET類似。當(dāng)IGBT發(fā)生疲勞損傷，柵極界面態(tài)電荷密度Qss變化量，可動(dòng)離子電荷Qm和氧化層陷阱電荷Qot都會(huì)隨之變化，進(jìn)而影響閾值電壓VGE(th)大小[25]。隨著IGBT發(fā)生老化損傷，柵極電容-門極電壓曲線向右移動(dòng)，柵極氧化層累計(jì)負(fù)電荷，電子電荷面密度增大，閾值電壓逐漸增大。

由于上述原因，因此IGBT芯片閾值電壓VGE(th)的變化規(guī)律如下：在被施加應(yīng)力前期，閾值電壓隨疲勞時(shí)間的延長而快速增大，隨后增大速率逐漸減小直至平穩(wěn)，如圖4所示。

圖4 閾值電壓隨老化時(shí)間的變化規(guī)律

熱阻也是常用于加速老化試驗(yàn)的特征參數(shù)，計(jì)算公式如式(3)所示。對(duì)IGBT模塊而言，當(dāng)焊接層由于老化現(xiàn)象出現(xiàn)裂縫時(shí)，封裝層的熱阻也會(huì)呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。

式中，T1、T2為介質(zhì)兩端溫度；P為熱流功率。

熱阻測(cè)試法又稱熱阻抗模型預(yù)測(cè)法，該方法在精確確定模塊的熱阻網(wǎng)絡(luò)模型前提下，基于待測(cè)模塊的工況實(shí)時(shí)結(jié)溫，利用模型提供的結(jié)溫與熱阻的耦合關(guān)系進(jìn)行迭代計(jì)算，反推出內(nèi)部芯片的瞬態(tài)熱阻抗曲線與損耗情況。目前，熱阻網(wǎng)絡(luò)模型主要分為連續(xù)網(wǎng)絡(luò)熱路模型Foster模型和局部網(wǎng)絡(luò)熱路模型Cauer模型，它們?cè)跓嶙韬蜔崛莸倪B接方式有所區(qū)別。其中Cauer模型反映的物理結(jié)構(gòu)詳細(xì)且準(zhǔn)確，但實(shí)際材料內(nèi)部的具體物理參數(shù)本身難以獲取，故建模比較困難。而Foster模型一般可以通過瞬態(tài)熱阻曲線的擬合得到，研究表明累積損傷每增加20%，則該模型熱阻等比增長10%，且與材料特性不相關(guān)，故而常在工程中被選用，本試驗(yàn)選擇的就是Foster模型，如圖5所示。

圖5 Foster熱網(wǎng)絡(luò)等效電路

3 試驗(yàn)研究方案

3.1 研究對(duì)象

本試驗(yàn)的研究對(duì)象為兩種青藏客車組關(guān)鍵設(shè)備車下輔助逆變電源IGBT模塊，即BSM100GB120DN2K型IGBT模塊與BSM300GA120DN2型IGBT模塊。

該兩種模塊同屬于德國Infineon廠商制作，都自帶快速續(xù)流二極管，并由絕緣金屬基板包裝。從性質(zhì)上來說，兩種型號(hào)IGBT的初始集電極-發(fā)射極電壓都為1 200 V段，區(qū)別在于在結(jié)溫從室溫25 ℃升到80 ℃時(shí)，BSM100GB120DN2K型IGBT模塊可通過的直流集電極電流從145 A下降到100 A，而BSM300GA120DN2型IGBT模塊則是從430 A下降到300 A。與此同時(shí)，后者的集電極電流脈沖大小約是前者的3倍，每個(gè)IGBT的功耗總和約是前者的3～4倍。

從功率循環(huán)試驗(yàn)的角度來看，兩者的測(cè)試條件略有不同，如表1所示，但試驗(yàn)步驟大同小異。考慮到實(shí)際情況的需要，選用從實(shí)際青藏線路段替換下來的五級(jí)修器件和部分同型號(hào)新品來進(jìn)行不同循環(huán)周期的功率循環(huán)試驗(yàn)，對(duì)比修正得到在設(shè)定測(cè)試條件下模塊的剩余壽命。

表1 不同老化參數(shù)測(cè)試條件

與此同時(shí)，本試驗(yàn)的目的是針對(duì)極端環(huán)境下客車組關(guān)鍵設(shè)備車下輔助逆變電源IGBT壽命的特征參數(shù)進(jìn)行研究，而選用的五級(jí)修器件則是從途經(jīng)青藏鐵路的客車線上替換下來的。青藏線具有全程跨越海拔高、溫差大，部分路段處于低氧高輻射等殘酷環(huán)境特點(diǎn)，所歷經(jīng)的青藏高原是地球上有名的極端環(huán)境之一，完全符合研究要求。

3.2 研究方案

對(duì)所選IGBT模塊進(jìn)行老化功率循環(huán)試驗(yàn)，考慮到受試樣品數(shù)量、試驗(yàn)周期及經(jīng)費(fèi)，結(jié)合IGBT模塊的特點(diǎn)、安裝形式及位置，綜合權(quán)衡后決定采用固定導(dǎo)通關(guān)斷時(shí)間的控制時(shí)序?qū)煞N型號(hào)的IGBT模塊都進(jìn)行兩種循環(huán)周期(分鐘級(jí)、秒級(jí))的功率循環(huán)試驗(yàn)，每隔24 h對(duì)樣品所選靜態(tài)參數(shù)及熱阻進(jìn)行測(cè)量并依次記錄，將所得結(jié)果和循環(huán)次數(shù)(時(shí)間)擬合之后得到靜態(tài)參數(shù)數(shù)值與熱阻值隨循環(huán)次數(shù)(時(shí)間)退化模型，依托所述模型計(jì)算剩余壽命時(shí)間。

其中，靜態(tài)參數(shù)測(cè)試可以在固定次數(shù)的循環(huán)周期末尾(該試驗(yàn)皆以24 h為間隔進(jìn)行一次記錄)，模塊冷卻達(dá)到熱平衡狀態(tài)時(shí)，通過高采集速度的半導(dǎo)體器件功率循環(huán)測(cè)試機(jī)直接測(cè)量參數(shù)數(shù)據(jù)。而熱阻測(cè)試則采用“雙界面法”測(cè)量樣品的結(jié)溫?zé)嶙柚担菏紫葴y(cè)量樣品在兩種狀態(tài)下(在樣品與散熱平臺(tái)之間均勻涂抹導(dǎo)熱硅脂，以及將樣品放置在散熱平臺(tái)上)的結(jié)溫降溫曲線，然后根據(jù)降溫曲線計(jì)算樣品的結(jié)構(gòu)函數(shù)，最后通過兩次測(cè)量得到結(jié)構(gòu)函數(shù)分離點(diǎn)，求得樣品的結(jié)溫?zé)嶙柚怠Ｒ粋€(gè)周期內(nèi)結(jié)溫變化趨勢(shì)曲線如圖6所示。試驗(yàn)總體實(shí)施方案如表2所示。

圖6 一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)結(jié)溫變化趨勢(shì)曲線

表2 試驗(yàn)總體實(shí)施方案

本試驗(yàn)樣品編號(hào)規(guī)則如下所示。

模塊類型號(hào)——BSM100GB120DN2K型IGBT模塊為1，BSM300GA120DN2型IGBT模塊為3。

維修級(jí)別——新品為1，五級(jí)修為5。

例：樣品編號(hào)3-5-2表示BSM300GA120DN2型IGBT模塊五級(jí)修第二個(gè)樣品。

該功率循環(huán)試驗(yàn)采用的是固定導(dǎo)通關(guān)斷時(shí)間策略，試驗(yàn)流程圖如圖7所示。

圖7 該功率循環(huán)試驗(yàn)流程圖

4 試驗(yàn)結(jié)果分析及討論

在本試驗(yàn)中，使用掃描聲學(xué)顯微鏡檢查芯片與DBC之間、DBC與散熱底板之間的分層空洞情況可得，在功率循環(huán)試驗(yàn)后，所有模塊芯片與DBC之間的焊料層以及DBC與散熱底板之間的焊料層均出現(xiàn)多個(gè)明顯的細(xì)小空洞，焊料層的空洞面積與初始測(cè)試相比略有增加。結(jié)果表明，在老化過程中，最直觀可見的現(xiàn)象是焊料層裂紋及空洞的增加與鍵合線的脫落。以BSM300GA120DN2型QL-01試驗(yàn)為例，芯片與DBC之間焊料層、DBC與散熱底板之間焊料層的平均空洞率如表3所示。以樣品3-5-3為例，分層空洞情況如圖8～11所示。

表3 樣品3-5-3聲掃試驗(yàn)結(jié)果

圖8 芯片與DBC之間的初始測(cè)試圖像

圖9 芯片與DBC之間的最終測(cè)試圖像

圖10 DBC與散熱底板之間的初始測(cè)試圖像

圖11 DBC與散熱底板之間的最終測(cè)試圖像

4.1 靜態(tài)參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果分析

四種靜態(tài)參數(shù)最終測(cè)試與初始測(cè)試的數(shù)據(jù)相比較的相對(duì)變化率如表4所示。

表4 各靜態(tài)參數(shù)最終測(cè)試與初始測(cè)試的相對(duì)變化率 %

在該試驗(yàn)已得到的兩種IGBT模塊的靜態(tài)參數(shù)試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)，飽和壓降VCE(sat)、集電極漏電流ICES與門極漏電流IGES三種靜態(tài)參數(shù)的相對(duì)變化率在該試驗(yàn)測(cè)試條件下，都多次出現(xiàn)了幅度極大的躍變，趨勢(shì)線也呈現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)，且與模塊是否失效并沒有明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系，均視為嚴(yán)重失真，故不再作為該試驗(yàn)繼續(xù)分析的參數(shù)。與之相反的是門極與發(fā)射極閾值電壓VGE(th)，在整場(chǎng)試驗(yàn)過程中，該靜態(tài)參數(shù)普遍呈現(xiàn)出穩(wěn)定且合理的相對(duì)變化率，故只將閾值電壓VGE(th)作為該試驗(yàn)繼續(xù)研究的靜態(tài)參數(shù)。

在試驗(yàn)結(jié)果中，部分器件的飽和壓降VCE(sat)、集電極漏電流ICES與門極漏電流IGES三種靜態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)發(fā)生了相對(duì)變化率過大的情況，可能的原因有如下幾點(diǎn)。

(1) 試驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量失誤，發(fā)生了過程數(shù)據(jù)丟失，監(jiān)測(cè)裝置接觸不良，沒有對(duì)相關(guān)參量進(jìn)行足夠補(bǔ)償?shù)惹闆r。

(2) 出現(xiàn)相對(duì)變化率嚴(yán)重偏大的情況主要發(fā)生在新品IGBT模塊中，可能原因?yàn)楸驹囼?yàn)采用的是對(duì)待測(cè)模塊最為嚴(yán)苛的固定導(dǎo)通關(guān)斷時(shí)間老化控制策略，而新品本身質(zhì)量不足以接受這種測(cè)試方法，在試驗(yàn)時(shí)發(fā)生芯片級(jí)失效。

(3) 在少數(shù)五級(jí)修模塊(3-5-5、3-5-8)中，也出現(xiàn)了同一模塊在三種靜態(tài)參數(shù)測(cè)試中兩次出現(xiàn)相對(duì)變化率過大的情況，可以認(rèn)為是模塊在實(shí)際工作過程中已經(jīng)受到了一定程度的老化損傷，無法再支持當(dāng)前的測(cè)試強(qiáng)度。

對(duì)兩種IGBT模塊閾值電壓-時(shí)間變化進(jìn)行退化模型分析。閾值電壓-時(shí)間變化曲線如圖12所示。由此可得，在本次試驗(yàn)中閾值電壓隨時(shí)間變化沒有明顯規(guī)律。

出現(xiàn)這種情況，主要原因是在IGBT模塊并聯(lián)多個(gè)IGBT芯片的情況下，不同芯片由于模塊內(nèi)部的連接而成的復(fù)雜異構(gòu)結(jié)構(gòu)，降低了對(duì)于閾值電壓VGE(th)的敏感度，一般流程的功率循環(huán)直接測(cè)試方法不太容易獲得其老化規(guī)律。在實(shí)際情況下，IGBT芯片發(fā)生故障，閾值電壓VGE(th)會(huì)發(fā)生偏移。但對(duì)于多芯片模塊來說，故障意味著一定數(shù)量的芯片發(fā)生局部開路，并不意味著所有芯片徹底失效，因此直接通過老化試驗(yàn)得到的模塊閾值電壓VGE(th)也會(huì)因芯片布局而變化，難以得到其規(guī)律。在具體研究中，可以對(duì)多芯片并聯(lián)IGBT模塊在固定延遲時(shí)間間隔測(cè)量其閾值電壓VGE(th)，對(duì)比正常工作下閾值電壓VGE(th)基準(zhǔn)曲線，通過已知芯片故障數(shù)量的變化波動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)，得到待測(cè)模塊的故障芯片數(shù)量，從而判斷其失效程度[26]。

圖12 兩種模塊的試驗(yàn)閾值電壓曲線

4.2 熱阻試驗(yàn)結(jié)果分析

在熱阻試驗(yàn)中，首要研究的是熱阻隨循環(huán)次數(shù)增加所發(fā)生的變化，熱阻-時(shí)間變化曲線如圖13所示。由此可得，在本次試驗(yàn)中熱阻與循環(huán)次數(shù)基本呈現(xiàn)正相關(guān)。

根據(jù)圖13所示熱阻參數(shù)變化情況，對(duì)熱阻測(cè)試結(jié)果進(jìn)行指數(shù)擬合，擬合公式為y=Aexp(kt)，其中y為特征參數(shù)的值，t為老化時(shí)間，R為擬合曲線的相關(guān)系數(shù)，求得指數(shù)關(guān)系擬合結(jié)果。與此同時(shí)，選取模塊熱阻相對(duì)初始值增加20%作為推測(cè)循環(huán)次數(shù)的特征參數(shù)，得到推測(cè)失效循環(huán)次數(shù)。將指數(shù)擬合中新品的循環(huán)次數(shù)估計(jì)值作為接受值。對(duì)于五級(jí)修樣品，其剩余循環(huán)次數(shù)呈離散狀態(tài)，不具有同一性。因此同樣選取模塊熱阻相對(duì)初始值增加20%作為推測(cè)循環(huán)次數(shù)的特征參數(shù)，對(duì)五級(jí)修樣品剩余循環(huán)次數(shù)進(jìn)行威布爾分布、指數(shù)分布、對(duì)數(shù)正態(tài)分布和正態(tài)分布擬合，得到相應(yīng)擬合結(jié)果并進(jìn)行擬合優(yōu)度檢驗(yàn)，得到IGBT模塊在該試驗(yàn)條件下循環(huán)次數(shù)最終評(píng)估結(jié)果如表5所示。在BSM100GB120DN2K型樣品在QL-02-1試驗(yàn)評(píng)估中，出現(xiàn)了所求得新品循環(huán)次數(shù)低于五級(jí)修剩余循環(huán)次數(shù)的情況，可能由于樣品個(gè)體差異造成，樣品數(shù)量過小，不具有代表性。

圖13 兩種模塊的試驗(yàn)熱阻曲線

表5 試驗(yàn)條件下循環(huán)次數(shù)評(píng)估結(jié)果

5 結(jié)論

本文通過分析途徑青藏高原的五級(jí)修青藏線客車車下電源IGBT模塊與同型號(hào)新品IGBT模塊通過功率循環(huán)老化試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果，將其與目前已知的IGBT模塊老化原理結(jié)合，可以得出如下結(jié)論。

(1) 焊料層裂紋及空洞的增加與鍵合線的脫落往往是焊接式IGBT失效的主要原因，也是其老化最直觀的表現(xiàn)形式。

(2) 在功率循環(huán)老化試驗(yàn)后，熱阻變化呈現(xiàn)波動(dòng)上升趨勢(shì)，而閾值電壓由于多芯片并聯(lián)模塊的內(nèi)部復(fù)雜性，難以通過一般流程的功率循環(huán)老化試驗(yàn)得到其變化規(guī)律，需要通過與健康狀態(tài)下模塊曲線比較得出。