功率循環(huán)對IGBT 壽命的影響——準確估算功率器件的壽命

內容摘要

供應商們正在努力提高絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)、Si和SiC MOSFET以及其他功率器件的最大功率水平和電流負載能力，并同時(shí)保持高質(zhì)量a和可靠性。新技術(shù)隨著(zhù)創(chuàng )新而紛紛涌現，例如改進(jìn)了導熱性的陶瓷基板、用于取代粗封裝鍵合線(xiàn)的帶式鍵合，以及用于增強模塊循環(huán)功能的無(wú)焊芯片貼裝技術(shù)。因為市場(chǎng)提供了芯片、所需的直接覆銅 (DBC) 基板以及各種不同的芯片貼裝材料，最終用戶(hù)也可以設計和制造功率模塊。這為機械設計提供了更高的靈活性，但也帶來(lái)了嚴峻的熱和可靠性挑戰，因為功率模塊通常用于混動(dòng)和電動(dòng)汽車(chē) (EV) 等領(lǐng)域，高可靠性至為重要。

——約翰·帕里 (John Parry)

運行過(guò)程中產(chǎn)生的高結溫和高溫度梯度會(huì )引起機械應力，尤其是在具有不同熱膨脹系數的材料之間的接觸面上，這可能導致這些器件性能退化甚至完全失效。為避免過(guò)早失效，需要恰當地選擇熱設計和材料。

Simcenter POWERTESTER硬件是Siemens Xcelerator這一全面、集成式軟硬件和服務(wù)產(chǎn)品組合的一部分，旨在實(shí)現零件可靠性評估流程的自動(dòng)化，以便正確估算功率模塊的使用壽命，識別可在開(kāi)發(fā)過(guò)程中消除的弱點(diǎn)，從而提高可靠性和使用壽命。本文詳細說(shuō)明了如何將Simcenter POWERTESTER應用于各包含兩個(gè)半橋的四個(gè)中等功率IGBT模塊，展示了通過(guò)器件自動(dòng)功率循環(huán)獲得的豐富數據。本文摘錄自參考文獻部分所列的兩篇技術(shù)論文。

這些模塊固定在集成于Simcenter POWER TESTER中的液冷冷卻板上，采用一塊高導熱墊片來(lái)盡量減小界面熱阻。在整個(gè)實(shí)驗過(guò)程中，使用由Simcenter POWERTESTER控制的冷卻循環(huán)器將冷卻板溫度保持在25攝氏度 (°C)。器件的柵極連接到器件的漏極（即所謂的“放大二極管設置”），同時(shí)各個(gè)半橋使用單獨的驅動(dòng)電路供電。兩個(gè)電流源分別連接到相應的半橋。使用一個(gè)可以快速開(kāi)關(guān)的高電流源對這些器件施加階躍式功率變化。使用一個(gè)低電流源為IGBT提供連續偏置電源，以測量器件溫度。

Simcenter T3STER Master：累積結構函數

圖1.樣品0的結構函數，對應于不同時(shí)間點(diǎn)的控制測量值。

在第一組測試中，我們采用恒定的加熱和冷卻時(shí)間分別測試了四個(gè)樣品。選擇加熱和冷卻時(shí)間以產(chǎn)生100°C左右的初始溫度波動(dòng)，功率為約200瓦特(W)，加熱時(shí)間為3秒，冷卻時(shí)間為10秒。這樣可以更貼切地模擬應用環(huán)境，其中熱結構的性能退化會(huì )導致更高的結溫，進(jìn)而加快器件老化。在這四個(gè)器件中，樣品 3 在經(jīng)過(guò)10000次循環(huán)后便失效，遠早于其他樣品。樣品0、1和2堅持的時(shí)間較長(cháng)，分別在經(jīng)過(guò)40660、41476 和 43489次功率循環(huán)后失效。圖1說(shuō)明了通過(guò)瞬態(tài)熱測試（每隔5000次循環(huán)對樣品0執行一次測量）生成的結構函數。0.08瓦特 x 秒/開(kāi)爾文 (Ws/K) 處的平坦區域對應于芯片貼裝。從中可以發(fā)現，該結構在15000次循環(huán)之前保持穩定，但在該點(diǎn)之后，隨著(zhù)熱阻的持續增大，可以明顯觀(guān)察到芯片貼裝性能的退化，直至器件失效。導致器件失效的直接原因仍舊不明，但我們發(fā)現，柵極和發(fā)射極之間形成了短路，而且在芯片表面上可以看到一些焦斑。

Simcenter T3STER Master：累積結構函數

圖2.IGBT1在功率循環(huán)期間的結構函數變化。

第二組測試使用完全相同的樣品，但采用由SimcenterPOWERTESTER支持的不同功率策略。在本例中，我們對IGBT1保持恒定的電流，對IGBT2保持恒定的加熱功率，對IGBT3保持恒定的結溫變化。為確保公平比較，選擇的設置可為所有器件提供相同的初始結溫溫升，即對測試中選擇的每個(gè)器件施加3秒加熱時(shí)間和17秒冷卻時(shí)間，以及約240W的初始加熱。對每個(gè)器件分別測量所有循環(huán)中的完整加熱和冷卻瞬態(tài)變化，并用Simcenter POWERTESTER硬件持續監測以下電學(xué)參數和熱學(xué)參數：

開(kāi)啟加熱電流時(shí)的器件電壓，Von

上一循環(huán)中施加的加熱電流，ICycle

功率階躍，P

關(guān)閉加熱電流后的器件電壓，Vhot

開(kāi)啟加熱電流前的器件電壓，Vcold

上一功率循環(huán)期間的最高結溫，Thot

上一功率循環(huán)期間的最低結溫，Tcold

上一循環(huán)中的溫度波動(dòng)，ΔT

由加熱功率歸一化處理的溫度變化，ΔT/P

此外，在250次循環(huán)后，使用10A加熱電流測量從通電穩態(tài)到斷電穩態(tài)之間的全程熱瞬態(tài)變化，以創(chuàng )建結構函數來(lái)研究熱累積中的任何性能退化。同樣，持續進(jìn)行實(shí)驗，直到所有IGBT失效。

不出所料，IGBT1先失效，因為在零件退化過(guò)程中沒(méi)有對施加的功率做任何調節。有趣的是，在圖2所示的熱結構中，它沒(méi)有顯示出任何退化。

為查明器件失效原因，我們必須仔細檢查實(shí)驗期間器件電壓的演變。在圖3 中，可將IGBT1在加熱電流水平下的正向電壓視為經(jīng)歷的功率循環(huán)次數的函數。在前3000次循環(huán)中，可以觀(guān)察到電壓處于下降趨勢。

圖3.IGBT1在加熱電流水平下的正向電壓與已應用的功率循環(huán)次數之間的關(guān)系。

這一初始變化由平均器件溫度的緩慢變化（降低了近5°C）引起。盡管器件電壓在低電流時(shí)呈負溫度相關(guān)，但在高電流水平下，正向電壓的溫度相關(guān)性變?yōu)檎嚓P(guān)。在經(jīng)過(guò)約35000次循環(huán)后，這一趨勢發(fā)生了變化，電壓開(kāi)始緩慢升高。之后，器件電壓出現階躍式變化，同時(shí)上升趨勢持續加快，直至器件失效。由于結構未發(fā)生變化，電壓的增大可歸因于封裝鍵合線(xiàn)的退化。這也解釋了在封裝鍵合線(xiàn)最終脫落時(shí)電壓出現的階躍式變化。

電壓階躍高度的持續增加是因為隨著(zhù)封裝鍵合線(xiàn)數量的減少，封裝鍵合線(xiàn)熱阻的并聯(lián)電阻之和在不斷增大。如果我們使用恒定電流策略，封裝鍵合線(xiàn)斷裂會(huì )提高剩余鍵合線(xiàn)中的電流密度并加速老化。

圖4顯示了對應于IGBT3的同類(lèi)型曲線(xiàn)。在此，器件電壓的增長(cháng)趨勢甚至更早開(kāi)始，但由于要通過(guò)調節以保持結溫恒定，加熱電流已按比例降低。電流的降低減少了鍵合線(xiàn)的負載，延長(cháng)了測得的壽命。

圖4.IGBT3在加熱電流水平下的正向電壓與已應用的功率循環(huán)次數之間的關(guān)系。

結語(yǔ)

進(jìn)行的兩組實(shí)驗展示了不同的失效模式，說(shuō)明了不同的功率策略以及可能不同的電氣設置如何影響失效模式。第一組實(shí)驗采用恒定循環(huán)時(shí)間，更貼切地反映了運行應用情況，證實(shí)了Simcenter POWERTESTER能夠快速檢測出器件結構（包括芯片貼裝和其他受損層）內出現的退化現象。

第二組實(shí)驗清晰地表明，當觀(guān)察到器件正向電壓出現階躍式增加時(shí)，封裝鍵合線(xiàn)發(fā)生了退化。但在使用這些功率選項（恒定電流、恒定加熱功率和恒定溫升）時(shí)，所有測試樣品的熱結構都未發(fā)生變化。鑒于樣品數量較少，我們只能做出比較保守的結論。然而，這些實(shí)驗警示我們，測量結果可能因循環(huán)策略而異，而且基于特定策略的壽命預測可能會(huì )高估功率器件的實(shí)際使用壽命。