基于汽车igbt模块功率循环寿命的研究论文（基于汽车igbt模块功率循环寿命的研究现状）

针对汽车IGBT模块的主要失效原理以及引线键合寿命的缺点，基于仿真分析进行了功率循环测试设计。结温差Tj和流过键合线的电流IC是影响键合点寿命的主要加速因素。中间温度（Tjm）是影响键合点寿命的重要因素。传统的功率循环寿命测试需要大量的测试样本。本文采用单根键合线作为独立样品进行测试，大大减少了测试所需的样品数量。同时，通过压降参数VCE(sat)的微小变化，可以准确地获得IGBT模块内部焊线的脱落趋势。结合寿命模型和威布尔统计方法，对键合点寿命进行统计分析，最终得到功率循环寿命曲线。利用新的动力循环寿命统计方法，将测试成本和测试周期时间降低80%。

0 前言

随着电动汽车的快速发展，其核心部件IGBT模块的可靠性也备受关注。国内外关于IGBT寿命的研究成果较多，但针对汽车用IGBT模块的研究较少。汽车IGBT模块的应用条件比其他应用条件更为严酷。车辆运行过程中，会出现频繁的启动、停止、加速和减速，这对应着IGBT模块的功率变化。 IGBT结温也会在周期中不断变化，从而导致温度变化。热应力会导致模块内层之间产生蠕变热疲劳，直至IGBT失效。鉴于汽车IGBT的特殊应用条件，迫切需要准确评估IGBT模块的热循环寿命。

功率循环试验是IGBT模块常用的加速寿命试验方法之一。通过接通和关断流向IGBT模块的直流电流，并结合外部冷却水冷却，使芯片结温在可控的温度范围内变化。该方法通过加速法进行模拟。 IGBT模块在使用条件下的温度变化以及热疲劳损伤的定量评估是应用寿命预测的重要评估方法。

1 动力循环寿命衰减原理

使用中的IGBT 模块处于亚稳态，其材料和结构会随着时间的推移而改变状态或退化。 IGBT模块在其整个生命周期中将经历数万到数百万次温度循环影响。在此期间，反复的热应力会使材料疲劳并导致模块封装结构逐渐退化。 IGBT模块封装结构的劣化主要表现在模块电性能和热性能的劣化。

1.1 热降解

应用中的IGBT模块（结构图见图1）的电压和电流并不是恒定的，而是随着车辆运行速度和负载的变化而变化，导致模块温度不断变化。由于模块芯片、芯片焊接层、DBC等各层的热膨胀系数并不完全一致，当模块受到芯片温度的循环冲击时，不同材料会产生不同程度的热膨胀和冷却收缩，导致模块各层之间存在差异。产生交变应力，引起结构松弛和材料裂纹萌生，导致热导率等热参数下降。当IGBT模块的焊料出现裂纹、分层时，芯片到模块底部散热器的有效传热面积将会减少，导致模块热阻Rth增大。 IGBT模块热阻的增加会降低模块的传热性能，导致芯片结温Tj升高。

1.2 电参数退化

在应用条件下，IGBT模块材料的损坏会影响其外部电气特性，引起模块电气参数的变化。这些电气参数包括电压降VCE(sat)和VF、栅极阈值电压VGE(th)、栅极电流IGES等。键合线与芯片热膨胀系数不匹配产生的热应力会导致键合线脱落，导致键合线接触电阻增大，进而增大IGBT模块的导通电阻Ron，饱和压降VCE(sat)上升。另外，为了连接IGBT芯片单元和发射极以及在芯片和基板之间进行引线键合，芯片表面会覆盖一层电镀金属。当涂层金属受到温度冲击时，晶粒会发生塑性变形，引起金属化重构。涂层金属的演变会减小其有效截面积，增加整个涂层金属的电阻，影响模块的饱和压降VCE(sat)。

2 粘接热机模拟

IGBT模块的工作过程涉及电流场、温度场、应力场等多个物理场的相互作用。电流场产生功率损耗。功率损失引起的焦耳热是温度场的热源。模块温度的波动和温度场分布的不均匀会导致模块各层之间产生热应力，导致模块变形。模块形状的变化会引起温度场和电流分布的变化。因此，在进行IGBT模块焊线应力仿真时，应考虑多个物理场之间的相互耦合。本文建立的IGBT模块实体模型如图2所示。对芯片表面有源区施加加热载荷，模拟芯片升温时的温度场分布，计算芯片的累积塑性变形损伤键合线及其具体位置。

图3 显示了键合线根部的von Mises 应力分布。可以发现，von Mises应力的最大值出现在键合点处，并且应力集中在键合线的根部处。提取键合线第一主应变分布，如图4所示。发现键合线第一主应变在应力较大的键合线根部处最大。 IGBT模块键合线在功率循环测试过程中的失效往往是由键合点裂纹引起的，裂纹扩展导致键合线脱落。

3 实验设计

3.1 通电循环试验方法

大功率IGBT模块功率循环常用的测试方法包括恒定结温升Tj、恒定功率P和恒定电流IC。恒定结温升Tj和恒定功率P主要是针对焊料层的退化，其中恒定结温升Tj测试模式较为常见；恒流IC测试模式主要用于评估邦定点的寿命。

3.1.1 恒定结温升Tj模式

恒定结温升Tj测试模式是指在测试过程中，Ton和Toff保持不变，实时调整IC的值，使Tj恒定。在此测试模式下，随着产品热特性的劣化，维持稳定的结温升Tj需要不断降低电流IC。恒定结温升Tj的测试模式广泛应用于轨道交通高压IGBT模块芯片焊料层的热疲劳评估。对于轨道交通中使用的IGBT模块，引线键合点通常涂有胶水进行保护。电线不会轻易脱落。它们寿命的缺点是芯片焊接层的分层和收缩。结温变化是焊料层热疲劳退化的主要因素，受电流大小影响较小。因此，对于轨道交通用高压IGBT模块的测试，采用恒定结温升Tj模式更为合适。

3.1.2 恒流IC测试模式

恒流IC测试模式是指测试过程中Ton、Toff、IC保持不变。测试开始时，通过初步调整，Ton、Toff、IC满足Tj的设定要求，测试过程中不再调整这些参数。在该测试模式下，产品的热劣化和电劣化的综合影响导致Tj变得越来越大。对于汽车IGBT模块，由于与高压模块的封装工艺和材料的差异以及成本考虑，模块的引线键合点通常不涂保护胶。接合点是影响IGBT模块寿命的缺点，其中电参数退化是主要原因。退化原理通常在恒流IC模式下进行测试。 AQG324汽车模块标准也做出了同样的规定。

3.1.3 热敏度测试

在执行电源循环之前，测试人员需要测量IGBT 模块的热敏系数（也称为K 系数）。小电流时，结温与电压VCE呈线性关系。因此，对不同温度下的压降VCE进行精确校准，得到小电流下的压降与温度的关系曲线。该曲线的斜率就是IGBT的K系数。 K系数图如图5所示。测试时，只能获取模块在小电流下的压降，从而推算出芯片的结温。

3.2 威布尔统计方法简介

威布尔分布在可靠性工程领域发挥着重要作用。该分布模型是功率半导体器件常用的寿命分布模型。本文研究的IGBT键合点失效主要是由材料寿命引起的。其寿命分布可以用二参数威布尔统计分布来描述。累积故障率计算公式为：

m为形状参数； eta为真实尺度参数； N 是设备故障周期数。

通过整理统计粘合点寿命数据，利用绘图方法，可以得到形状参数m和真实尺度参数的值。使用上述值，可以轻松计算出样品的寿命：

式中：R为规定的可靠度。

3.3 实验方案设计

3.3.1 生命周期模型

功率半导体寿命常用的模型是

式中：Nf为组件寿命； K是玻尔兹曼常数； Tjm 为平均结温； EA为活化能； 1、2、3为计算值，与功率器件结构和材料有关，没有实际物理意义。

对于功率IGBT模块，公式中的活化能EA通常为0.168eV。上述模型中的加速因子主要是Tj、Tjm、IC。本文基于该模型设计了实验方案。

3.3.2 实验设计

测试采用恒流IC的方式。对Tj、Tjm、IC3 加速因子进行偏差测试。当一个参数有偏差时，其他两个参数保持一致。部分拉动计划具体情况见表1~表3。为了满足设定条件，可以适当调整IGBT栅极电压VGE和关断时间Toff。

对于寿命分布的统计，通常将模块压降VCE(sat)下降5%的循环次数作为模块的截止寿命。这种方法将整个IGBT模块视为一个黑匣子，忽略了其故障过程的细节。在进行寿命分布时，需要大量的样本才能获得较为准确的寿命值。通常，单次测试所需的样本数量大于10个，这无疑需要巨大的经济和时间成本。针对汽车IGBT模块键合点脱落的失效模式，本研究以键合点为样本进行功率循环寿命统计。图6所示模块是汽车用半桥IGBT模块。其桥臂之一有144 个接合点。即每个模块可以看作144个样本，因此较少模块的测试数据就可以通过。获得大量键合点的寿命，这将大大降低测试的经济成本和时间成本，同时可以更准确地获得键合点寿命的循环次数。

4 测试结果

4.1 测试数据统计

本文的实验设计采用恒流IC的测试模式。功率循环测试的热疲劳效应导致接合点与芯片金属层之间的界面处裂纹生长。每次键合点脱落时，IGBT模块的压降VCE(on)都会明显增大，形成明显的台阶，可以方便测试仪的测试。统计粘合点脱落时对应的循环次数，如图7所示。

在键合点脱离数量较少的情况下，每个键合点脱离都会产生相对固定的VCE(on)。当脱落的粘合点数量达到一定数量时，每个粘合点的脱落都会导致压降的增加与初始VCE(on)不再呈线性关系，从而影响数量的统计与循环次数相对应的粘合点脱落的数量。您可以使用固定数字截断进行实验来减少统计错误。每个压降突变处脱落的结合点的数量可以近似计算为

式中：V2为台阶上边缘值； V1为台阶下沿值； VCE(on)是单个粘合点脱落时增加的压降值。

随着产品性能的下降，芯片的温度也会明显升高。 IGBT芯片通常具有正温度系数。系数可以在方程(4)中修改。每次电压降突变处脱落的键合点数量可以近似计算为

根据测试工艺曲线，按照式（4）或式（5）的计算方法，统计不同循环次数对应的键合点脱落数量，如图8所示（数字为脱落的粘合点数量）。

4.2 数据分析及寿命计算

根据威布尔分布计算方法对键合点脱落统计进行分析，得到一定累积故障率下IGBT模块的功率循环寿命，如图9所示。威布尔参数计算方法已经非常成熟，不再赘述本文详细介绍。

本文以键合点累积失效率为10%作为模块的寿命（也称B10寿命），计算不同测试条件下IGBT模块的功率循环寿命，如表4~表6所示。

根据寿命模型方程（3），将上述测试数据代入计算，得到系数1、2、3的值。对计算出的寿命模型进行拟合，即可得到不同加速系数下的二维功率循环寿命曲线，如图10和图11所示。图10、图11曲线表明IC对键合点寿命影响较大，是影响键合点寿命的主要加速因素； Tjm对键合点寿命的影响相对较小，但也是影响键合点寿命的重要加速因素。故障模块的结构如图12 所示。

对完成测试的模块进行解剖分析，发现模块粘接点明显剥离，失效位置为粘接点的根部，这证实了之前粘接热机械模拟的失效模式。

5 结论

本文基于对汽车IGBT模块功率循环寿命的研究，从失效原理、测试方法、寿命模型和统计模型等多个角度进行阐述。针对汽车IGBT模块键合点寿命的缺点，进行了功率循环测试设计。本文提出了一种基于粘合点作为样本子样本的寿命统计方法。与传统以IGBT模块为样本的寿命统计方法相比，该方法可以显着减少测试样本数量，节省大量时间和经济成本，提高寿命评估水平。准确度高，具有良好的工程应用价值。

主编：彭静.