IGBT 可靠性與壽命評估研究

范 學(xué)， 王 勝， 鄭珂珂， 梁 鵬， 趙明芳

（比亞迪汽車工業(yè)有限公司， 廣東 深圳 518118）

IGBT是能源變換與傳輸?shù)暮诵钠骷?俗稱電力電子裝置的“CPU”。在新能源汽車中，IGBT直接控制驅(qū)動系統(tǒng)直、交流電的轉(zhuǎn)換，決定了車輛的扭矩和最大輸出功率等，是汽車動力總成系統(tǒng)的“心臟”。在新能源汽車中大量使用了IGBT功率器件，例如：電控、OBC、空調(diào)系統(tǒng)及充電樁等，如圖1所示。據(jù)統(tǒng)計(jì)，IGBT等功率器件占到整車成本的7%～10%。

圖1 IGBT功率器件在新能源汽車上的應(yīng)用

在電機(jī)控制器中，IGBT將動力電池的高壓直流電轉(zhuǎn)換為驅(qū)動三相電機(jī)的交流電，為電機(jī)提供動力。在汽車運(yùn)行過程中，啟停、頻繁加減速等會使IGBT模塊功率發(fā)生變化，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)部焊層之間產(chǎn)生蠕變熱疲勞或失效。因此，IGBT模塊的結(jié)溫變化是影響其工作壽命與可靠性的主要因素。本文采用熱敏感電參數(shù)法提取IGBT結(jié)溫，并結(jié)合CLTC等試驗(yàn)工況得出對應(yīng)結(jié)溫曲線，通過雨流分析、Miner線性累積損傷準(zhǔn)則等分析和評估整車壽命周期內(nèi)IGBT模塊的熱疲勞壽命，提出在總成級試驗(yàn)中進(jìn)行IGBT加速試驗(yàn)的可行性方案。

1 IGBT概述

1.1 什么是IGBT？

IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極型晶體管） 是由雙極結(jié)型晶體管（BJT） 和金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET） 復(fù)合而成的結(jié)構(gòu)，如圖2所示。它結(jié)合了兩者的優(yōu)點(diǎn)，具有輸入阻抗高、功耗小、熱穩(wěn)定性好、驅(qū)動簡單、載流密度大、通態(tài)壓降低等優(yōu)勢。

圖2 IGBT簡化等效電路

1.2 IGBT的結(jié)構(gòu)

IGBT由芯片、覆銅陶瓷襯底、基板、散熱器等通過焊接而成，如圖3所示。

圖3 IGBT的結(jié)構(gòu)

1.3 IGBT的熱特性

熱特性是IGBT功率器件的靈魂。芯片工作產(chǎn)生的熱量通過不同的介質(zhì)、界面?zhèn)鬟f到散熱器，將熱量散出，傳遞路徑的熱阻用Rthjc來表示，如圖4所示。

圖4 IGBT熱傳遞

IGBT模塊的發(fā)熱主要來源于功率損耗。功率損耗包括IGBT損耗和FWD損耗，其又分為開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗，如圖5所示。功率損耗與電流Ic、飽和壓降Vce、開關(guān)頻率等多因素有關(guān)。

圖5 IGBT導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗示意圖

2 IGBT可靠性要求

2.1 IGBT模塊可靠性要求

對于車規(guī)級IGBT模塊，由于使用環(huán)境嚴(yán)酷，工況復(fù)雜，壽命要求高，因此對IGBT模塊性能和可靠性提出了越來越高的要求，如圖6所示。

圖6 IGBT模塊可靠性要求

2.2 電控總成可靠性試驗(yàn)現(xiàn)狀

據(jù)統(tǒng)計(jì)，IGBT損壞引起的故障占電控售后問題的首位，是電控總成的短板。根據(jù)“木桶”原理，解決IGBT失效問題對于降低電控總成失效率非常重要。但是，目前電控總成可靠性試驗(yàn)主要參考707企標(biāo)，沒有考慮功率器件產(chǎn)品自身發(fā)熱引起的溫度變化，也沒有考慮冷卻液循環(huán)帶來的溫度穩(wěn)定，比較適用于低壓電氣產(chǎn)品可靠性試驗(yàn)，對功率器件產(chǎn)品不適用。如何在電控總成試驗(yàn)中加速IGBT的老化磨損將是我們需要重點(diǎn)研究的課題。電控問題統(tǒng)計(jì)柏拉圖如圖7所示。

圖7 電控問題統(tǒng)計(jì)柏拉圖

2.3 IGBT模塊可靠性試驗(yàn)

對于車規(guī)級IGBT模塊，AQG 324、QC/T 1136等標(biāo)準(zhǔn)對可靠性均有相關(guān)要求。以QC/T 1136為例，IGBT模塊可靠性包括芯片可靠性和封裝可靠性，如表1所示。

表1 IGBT可靠性試驗(yàn)

2.3.1 功率循環(huán)試驗(yàn)（主動）

1） 功率循環(huán)試驗(yàn)(PCsec/PCmin)：檢驗(yàn)綁定線與芯片的連接點(diǎn)可靠性以及芯片與DCB焊接層的可靠性。功率循環(huán)試驗(yàn)（PCsec） 曲線如圖8所示。

圖8 功率循環(huán)試驗(yàn) （PCsec） 曲線

2） 功率循環(huán)(PCmin)：檢驗(yàn)綁定線與芯片的連接點(diǎn)可靠性，芯片與DCB焊接層的可靠性以及DCB與Baseplate焊接層的可靠性。

2.3.2 溫度循環(huán)/沖擊試驗(yàn)（被動）

溫度循環(huán)(TC)：從Baseplate底部緩慢加熱整個封裝，檢驗(yàn)具有不同熱膨脹系數(shù)的材料之間連接的可靠性。熱膨脹系數(shù)如圖9所示。

圖9 熱膨脹系數(shù)

2.4 IGBT模塊失效模式

IGBT模塊失效主要分為機(jī)械失效和電氣失效，其中機(jī)械失效包括綁定線、焊接層及封裝/端子的老化所造成的使用壽命終結(jié)，其主要是由功率循環(huán)產(chǎn)生結(jié)溫變化引起。此外，還包括過壓、過流、其它因素（如氣候變化、化學(xué)腐蝕） 所造成的失效，如圖10所示。

圖10 IGBT模塊的失效模式

IGBT失效同樣適用可靠性“浴盆”曲線，在不同階段呈現(xiàn)不同表現(xiàn)形式，如圖11所示。

圖11 浴盆曲線及失效原因

本文重點(diǎn)研究耗損失效中由于熱機(jī)械應(yīng)力導(dǎo)致的IGBT失效，而這一部分正是IGBT耐久失效的主要原因。IGBT耗損失效如圖12所示。

圖12 IGBT耗損失效

3 IGBT使用壽命分析與評估

3.1 研究思路

根據(jù)IGBT失效模式可知，結(jié)溫變化是影響其使用壽命的主要因素。評估IGBT的使用壽命就需要首先獲得其在用戶工況下的結(jié)溫曲線，然后結(jié)合IGBT功率循環(huán)壽命曲線，應(yīng)用累積損傷理論評估IGBT的使用壽命，具體分析步驟如圖13所示。這其中主要關(guān)鍵點(diǎn)及難點(diǎn)如下所述。

圖13 研究思路

1） 用戶代表工況選取，目前采用NEDC或者CLTC工況。

2） 工況中結(jié)溫測量和結(jié)溫曲線的獲取，實(shí)車中很難通過布置傳感器的方案來直接獲取結(jié)溫曲線。目前有兩種可行方法：一種是通過計(jì)算功率損耗，結(jié)合熱仿真模型獲得；另一種是通過間接的熱敏感電參數(shù)法獲取相應(yīng)的結(jié)溫曲線，詳見3.3.2分析。

3） 溫度分布：采用雨流法分析。

4） IGBT壽命曲線，一般由IGBT模塊廠家提供。

5） 壽命評估，使用溫度分布數(shù)據(jù)和IGBT壽命曲線結(jié)合損傷理論進(jìn)行壽命評估。

3.2 IGBT結(jié)溫測試的幾種方法

3.2.1 物理接觸測量法

把熱敏電阻或熱電偶等測溫元器件焊接于IGBT內(nèi)部，從而獲取模塊內(nèi)部基板的溫度。測試方便但存在較大測量誤差，如圖14所示。

圖14 熱敏電阻測量法

3.2.2 光學(xué)非接觸測量法

先將IGBT模塊打開，除去透明硅脂，然后將IGBT芯片表面涂黑，以提高溫度測量準(zhǔn)確性，最后通過熱像儀等采用紅外熱成像方法測試結(jié)溫。屬于破壞性測量方法，如圖15所示。

圖15 光學(xué)非接觸測量法

3.2.3 熱敏感電參數(shù)法

利用半導(dǎo)體功率器件內(nèi)部微觀物理參數(shù)與器件溫度具有一一對應(yīng)的映射關(guān)系，將芯片本身作為溫度傳感部件，將其自身難測的內(nèi)部溫度信息反映在模塊外部易測的電氣信號上，對芯片結(jié)溫進(jìn)行逆向提取，如圖16所示。

圖16 熱敏感電參數(shù)法

3.3 試驗(yàn)方案

3.3.1 任務(wù)曲線建立

為了保證IGBT模塊使用壽命的可比性，通常采用標(biāo)準(zhǔn)的駕駛循環(huán)作為基本工況。國內(nèi)一般采用NEDC（New European Driving Cycle，新標(biāo)歐洲循環(huán)測試） 或CLTC（China Light-duty Vehicle Test Cycle，中國輕型汽車行駛工況） 作為基本工況。以CLTC工況為例，采集電機(jī)控制器在此工況下的電壓電流值，如圖17所示。

圖17 電機(jī)控制器CLTC工況下電壓電流譜

3.3.2 結(jié)溫曲線

本文采用熱敏感電參數(shù)法反推獲得IGBT模塊在CLTC工況下的結(jié)溫曲線。

1） 溫度系數(shù)（K-factor） 測試

參考JESD51-1《集成電路熱測試方法》測試K系數(shù)。測試步驟如下：設(shè)定好溫度環(huán)境TL0，當(dāng)器件外殼溫度穩(wěn)定時給IGBT模塊施加小電流（10mA） 記錄集電極和發(fā)射極間壓降大小VL0，然后將環(huán)境溫度升高到THi，按上述要求記錄此時壓降。兩次溫度值的差值除以電壓差值即為K系數(shù)。

通過Power Tester 1800A功率循環(huán)測試儀測試K系數(shù)（圖18），結(jié)果如下：K-Factor：-2.694mV/℃。

圖18 K系數(shù)

2） 瞬態(tài)熱測試（負(fù)載）

測試原理圖如圖19所示。根據(jù)任務(wù)曲線得到的負(fù)載電流，基于能量守恒，采用MATLAB軟件將電流譜處理成300個恒定電流值便于實(shí)際加載測試。測試方法如下：①在IGBT Gate上加上15V電壓，使Gate完全打開，在CE之間用大電流加熱，使之達(dá)到熱平衡；②在器件達(dá)到熱平衡之后，瞬間從大電流切換到小電流（10mA），測量壓降Vce；③測試結(jié)果如圖20所示，根據(jù)K系數(shù)中結(jié)溫與Vce的之間的關(guān)系，得出CLTC工況下的結(jié)溫曲線，如圖21所示。

圖19 測試原理圖

圖20 負(fù)載電流與Vce關(guān)系曲線

圖21 CLTC工況結(jié)溫曲線

3.3.3 溫度分布（ΔT）

Ncode雨流分析流程如圖22所示。為了將任務(wù)曲線引起的結(jié)溫變化與功率循環(huán)壽命曲線進(jìn)行比較，采用雨流計(jì)數(shù)法統(tǒng)計(jì)不同結(jié)溫變化ΔT出現(xiàn)的頻次。溫度分布ΔT如圖23所示。

圖22 Ncode雨流分析流程

圖23 溫度分布ΔT

3.3.4 功率循環(huán)壽命曲線

研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度變化過程中的最高結(jié)溫小于120℃時，可以利用Coffin-Manson模型進(jìn)行預(yù)測，該模型被廣泛用于描述半導(dǎo)體模塊PC過程的失效規(guī)律。后經(jīng)Arrhenuis修正，將平均結(jié)溫Tjm納入考核范圍，得到LESIT模型：

隨著封裝技術(shù)的改進(jìn)，IGBT模塊的壽命有了很大提高。焊料層疲勞成為與鍵合線同等重要的失效機(jī)制。2008年Bayerer考慮到功率循環(huán)試驗(yàn)中溫度波動范圍、最大結(jié)溫Tjmax、模塊鍵合線直徑D、直流端電流i、阻斷電壓V等因素都會對器件壽命造成影響，得到了CIPS多參數(shù)模型：

通過功率循環(huán)試驗(yàn)確定模型參數(shù)，繪制如圖24所示的功率循環(huán)壽命曲線。

圖24 功率循環(huán)壽命曲線

3.3.5 IGBT壽命評估

根據(jù)溫度分布ΔT，并參考功率循環(huán)壽命曲線，將一個駕駛循環(huán)中所有ΔT下的損傷相對其出現(xiàn)的頻次加權(quán)求和，可得到一個駕駛循環(huán)下的累積損傷。該累積損傷的倒數(shù)即是功率模塊的使用壽命，即：

式中：ni——在一個駕駛循環(huán)中，ΔTj出現(xiàn)的次數(shù)；Ni——在功率循環(huán)壽命曲線中，ΔTj對應(yīng)的循環(huán)次數(shù)；Nf——功率模塊使用壽命。

通常整車的使用壽命是30萬公里，一個CLTC的行駛里程大約是14.48km，則整車至少需要運(yùn)行20718個CLTC才滿足壽命要求，通過計(jì)算Nf=13973605，遠(yuǎn)大于20718，滿足整車的使用壽命要求。

4 電控總成IGBT加速試驗(yàn)

既然IGBT失效占電控總成失效的絕大多數(shù)，那么電控總成試驗(yàn)中IGBT的考核是否足夠？如何進(jìn)行IGBT加速試驗(yàn)?zāi)兀?/p>

通過上述分析可知，IGBT模塊的結(jié)溫變化是影響其工作壽命與可靠性的主要因素。因此在總成試驗(yàn)中，結(jié)溫變化的幅度和頻次將直接影響其使用壽命。以冷熱沖擊試驗(yàn)為代表的被動“功率循環(huán)試驗(yàn)”將是一個很好的試驗(yàn)方案。

由于該試驗(yàn)工作模式1.1，屬于被動加熱引起的結(jié)溫變化，其中ΔT=125℃、N0=215次，遠(yuǎn)低于行標(biāo)要求。根據(jù)IGBT熱循環(huán)壽命曲線（圖25），當(dāng)ΔT=125℃時壽命循環(huán)數(shù)N1約3000次，故冷熱沖擊試驗(yàn)考核僅占全壽命周期的7.2%，屬于考核偏弱，可適當(dāng)增加循環(huán)數(shù)或加大溫度變化范圍，如表2所示。

表2 冷熱沖擊試驗(yàn)條件

圖25 IGBT熱循環(huán)壽命曲線

此外，通過分析NEDC或CLTC等駕駛工況可知，主動“功率循環(huán)”產(chǎn)生的結(jié)溫變化頻次較多，但幅度偏小。以CLTC工況為例，根據(jù)3.3.3雨流分析結(jié)果可知ΔTmax=25℃，根據(jù)IGBT壽命曲線則需要至少107循環(huán)數(shù)。在兼顧其它部件的考核基礎(chǔ)上合理修正工況，如增加啟停或急加/減速工況也是一種可行的加速試驗(yàn)方案。

5 總結(jié)

本文通過介紹IGBT模塊的結(jié)構(gòu)、失效模式等說明熱疲勞是影響IGBT使用壽命的主要因素。并基于此建立了IGBT使用壽命評估方法，將整車設(shè)計(jì)壽命與IGBT使用壽命結(jié)合起來，從而能夠從行駛里程的角度快速評估IGBT功率模塊是否能夠滿足整車使用壽命的要求。此外，針對電控總成的試驗(yàn)現(xiàn)狀，提出在總成級試驗(yàn)中進(jìn)行IGBT加速試驗(yàn)的可行性。對于主動“功率循環(huán)”試驗(yàn)，如何優(yōu)化試驗(yàn)工況，提升ΔTmax進(jìn)行加速試驗(yàn)還需要進(jìn)一步研究。當(dāng)前以SiC和GaN為代表的第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料開始逐漸應(yīng)用在新能源汽車上，其可靠性也將是我們后續(xù)關(guān)注的方向。