IGBT可靠性與壽命評估研究

摘要

IGBT?作為新能源汽車電機控制器的核心部件，直接決定了電動汽車的安全性和可靠性。本文主要介 紹采用熱敏感電參數法提取?IGBT?結溫，并結合?CLTC?等試驗工況得出對應結溫曲線，通過雨流分析、Miner?線性累 積損傷準則等評估整車壽命周期內?IGBT?模塊的熱疲勞壽命，最后結合電機控制器總成的試驗現狀，提出總成級試 驗中進行?IGBT?加速試驗的可行性方案。

IGBT是能源變換與傳輸的核心器件,俗稱電力電子裝置 的“CPU”。在新能源汽車中，IGBT直接控制驅動系統直、交 流電的轉換，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、空調系統及充電樁等，如圖1?所示。據統計，IGBT等功率器件占到整車成本的7%～10%。?

在電機控制器中，IGBT將動力電池的高壓直流電轉換 為驅動三相電機的交流電，為電機提供動力。在汽車運行 過程中，啟停、頻繁加減速等會使IGBT模塊功率發生變化，?IGBT結溫也會隨之不斷循環變化，溫度變化產生的熱應力 會使模塊內部焊層之間產生蠕變熱疲勞或失效。因此，IG－?BT模塊的結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法提取IGBT結溫，并結合CLTC等試 驗工況得出對應結溫曲線，通過雨流分析、Miner線性累積 損傷準則等分析和評估整車壽命周期內IGBT模塊的熱疲勞 壽命，提出在總成級試驗中進行IGBT加速試驗的可行性方案。?

1 IGBT概述?

1.1?什么是IGBT？

IGBT?（Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極型 晶體管） 是由雙極結型晶體管 （BJT） 和金屬-氧化物-半導 體場效應晶體管 （MOSFET） 復合而成的結構，如圖2所示。

它結合了兩者的優點，具有輸入阻抗高、功耗小、熱穩定 性好、驅動簡單、載流密度大、通態壓降低等優勢。?

1.2 IGBT的結構

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。?

1.3 IGBT的熱特性?

熱特性是IGBT功 率器件的靈魂。芯片 工作產生的熱量通過 不同的介質、界面傳 遞到散熱器，將熱量 散出，傳遞路徑的熱阻用Rthjc來表示，如圖4所示。

IGBT模塊的發熱主要來源于功率損耗。功率損耗包括?IGBT損耗和FWD損耗，其又分為開關損耗和導通損耗，如 圖5所示。功率損耗與電流Ic、飽和壓降Vce、開關頻率等多 因素有關。

2 IGBT可靠性要求??

2.1 IGBT模塊可靠性要求?

對于車規級IGBT模塊，由于使用環境嚴酷，工況復雜， 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。

2.2?電控總成可靠性試驗現狀?

據統計，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“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 成可靠性試驗主要參考707企標，沒有考慮功率器件產品自 身發熱引起的溫度變化，也沒有考慮冷卻液循環帶來的溫 度穩定，比較適用于低壓電氣產品可靠性試驗，對功率器 件產品不適用。如何在電控總成試驗中加速IGBT的老化磨 損將是我們需要重點研究的課題。電控問題統計柏拉圖如 圖7所示。

2.3 IGBT模塊可靠性試驗?

對于車規級IGBT模塊，AQG 324、QC/T 1136等標準對 可靠性均有相關要求。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。

2.3.1?功率循環試驗 （主動）?

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

2） 功率循環?(PCmin)：檢驗綁定線與芯片的連接點可靠性，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/沖擊試驗 （被動）?

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

2.4 IGBT模塊失效模式?

IGBT模塊失效主要分為機械失效和電氣失效，其中機 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，其主要是由功率循環產生結溫變化引起。此 外，還包括過壓、過流、其它因素 （如氣候變化、化學腐 蝕） 所造成的失效，如圖10所示。

IGBT失效同樣適用可靠性“浴盆”曲線，在不同階段 呈現不同表現形式，如圖11所示。本文重點研究耗損失效中由于熱機械應力導致的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。?

3 IGBT使用壽命分析與評估?

3.1?研究思路?

根據IGBT失效模式可知，結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 戶工況下的結溫曲線，然后結合IGBT功率循環壽命曲線， 應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。這其中主要關鍵點及難點如下所述。

1） 用戶代表工況選取，目前采用NEDC或者CLTC工況。?

2） 工況中結溫測量和結溫曲線的獲取，實車中很難通 過布置傳感器的方案來直接獲取結溫曲線。目前有兩種可 行方法：一種是通過計算功率損耗，結合熱仿真模型獲得；另一種是通過間接的熱敏感電參數法獲取相應的結溫曲線， 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，使用溫度分布數據和IGBT壽命曲線結合 損傷理論進行壽命評估。?

3.2 IGBT結溫測試的幾種方法?

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內部， 從而獲取模塊內部基板的溫度。測試方便但存在較大測量 誤差，如圖14所示。

3.2.2?光學非接觸測量法?

先將IGBT模塊打開， 除去透明硅脂，然后將IG－?BT芯片表面涂黑，以提高 溫度測量準確性，最后通 過熱像儀等采用紅外熱成像 方法測試結溫。屬于破壞性 測量方法，如圖15所示。3.2.3?熱敏感電參數法 利用半導體功率器件內部微觀物理參數與器件溫度具 有一一對應的映射關系，將芯片本身作為溫度傳感部件， 將其自身難測的內部溫度信息反映在模塊外部易測的電氣 信號上，對芯片結溫進行逆向提取，如圖16所示。

3.3?試驗方案?

3.3.1?任務曲線建立?

為了保證IGBT模塊使用壽命的可比性，通常采用標準 的駕駛循環作為基本工況。國內一般采用NEDC?（New Eu－?ropean Driving Cycle，新標歐洲循環測試） 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，采集電機控制器在此工況 下的電壓電流值，如圖17所示。

3.3.2?結溫曲線?

本文采用熱敏感電參數法反推獲得IGBT模塊在CLTC工 況下的結溫曲線。?

1） 溫度系數 （K-factor） 測試?

參考JESD51-1?《集成電路熱測試方法》 測試K系數。測 試步驟如下：設定好溫度環境TL0，當器件外殼溫度穩定時 給IGBT模塊施加小電流 （10mA） 記錄集電極和發射極間壓 降大小VL0，然后將環境溫度升高到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。

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

2） 瞬態熱測試 （負載）?

測試原理圖如圖19所示。根據任務曲線得到的負載電 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際加載測試。測試方法如下：①在IG－?BT Gate上加上15V電壓，使Gate完全打開，在CE之間用大 電流加熱，使之達到熱平衡；②在器件達到熱平衡之后， 瞬間從大電流切換到小電流 （10mA），測量壓降Vce；③測試 結果如圖20所示，根據K系數中結溫與Vce的之間的關系，得 出CLTC工況下的結溫曲線，如圖21所示。

3.3.3?溫度分布 （ΔT）?

Ncode雨流分析流程如圖22所示。為了將任務曲線引起 的結溫變化與功率循環壽命曲線進行比較，采用雨流計 數法統計不同結溫變化ΔT出現的頻次。溫度分布ΔT如圖?23所示。

3.3.4?功率循環壽命曲線?

研究發現當溫度變化過程中的最高結溫小于120℃時， 可以利用Coffin-Manson模型進行預測，該模型被廣泛用于描 述半導體模塊PC過程的失效規律。后經Arrhenuis修正，將 平均結溫Tjm納入考核范圍，得到LESIT模型：

隨著封裝技術的改進，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制。2008年Bayerer?考慮到功率循環試驗中溫度波動范圍、最大結溫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多參數模型：

通過功率循環試驗確定模型參數，繪制如圖24所示的 功率循環壽命曲線。

3.3.5?IGBT壽命評估?

根據溫度分布ΔT，并參考功率循環壽命曲線，將一個 駕駛循環中所有ΔT下的損傷相對其出現的頻次加權求和， 可得到一個駕駛循環下的累積損傷。該累積損傷的倒數即 是功率模塊的使用壽命，即：

式中：ni?———在一個駕駛循環中，ΔTj出現的次數；Ni?———在功率循環壽命曲線中，ΔTj?對應的循環次數；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，則整車至少需要運行20718個CLTC才滿 足壽命要求，通過計算Nf =13973605，遠大于20718，滿足整 車的使用壽命要求。?

4 電控總成IGBT加速試驗?

既然IGBT失效占電控總成失效的絕大多數，那么電控總 成試驗中IGBT的考核是否足夠？如何進行IGBT加速試驗呢？?

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

由于該試驗工作模式1.1，屬于被動加熱引起的結溫變 化，其中ΔT=125℃、N0=215次，遠低于行標要求。根據IG－?BT熱循環壽命曲線 （圖25），當ΔT=125℃時壽命循環數N1約?3000次，故冷熱沖擊試驗考核僅占全壽命周期的7.2%，屬 于考核偏弱，可適當增加循環數或加大溫度變化范圍，如 表2所示。

此外，通過分析NEDC或CLTC等駕駛工況可知，主動 “功率循環”產生的結溫變化頻次較多，但幅度偏小。以?CLTC工況為例，根據3.3.3雨流分析結果可知ΔTmax=25℃，根 據IGBT壽命曲線則需要至少107循環數。在兼顧其它部件的 考核基礎上合理修正工況，如增加啟?；蚣奔?減速工況也 是一種可行的加速試驗方案。?

5 總結??

本文通過介紹IGBT模塊的結構、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，將整車設計壽命與IGBT使用壽命結合 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 的試驗現狀，提出在總成級試驗中進行IGBT加速試驗的可行性。對于主動“功率循環”試驗，如何優化試驗工況， 提升ΔTmax進行加速試驗還需要進一步研究。當前以SiC和?GaN為代表的第三代寬禁帶半導體材料開始逐漸應用在新能 源汽車上，其可靠性也將是我們后續關注的方向。

來源：《汽車電器》2023 年第 2 期

審核編輯：湯梓紅