张瑾; 仇志杰; 王磊; 宁圃奇
【期刊名称】《《中国电力》》
【年(卷),期】2019(052)009
【总页数】7页(P54-60)
【关键词】绝缘栅双极晶体管; 功率循环; 温度循环; 可靠性
【作 者】张瑾; 仇志杰; 王磊; 宁圃奇
【作者单位】中国科学院电工研究所 电力电子与电能变换技术实验室 北京 100190
【正文语种】中 文
【中图分类】TN322
0 引言武汉兰博基尼
电力半导体模块是大功率电力电子装置的核心部件，它的可靠性在很大程度上决定了整个装置的可靠性[1-2]。绝缘栅双极晶体管（insulated gate bipolar transistor，IGBT）模块是目前应用最为广泛的电力半导体模块之一。随着电动汽车领域越来越多地使用IGBT模块，在关乎乘员安全的场合，通常要求IGBT模块具有更高的可靠性。因为一旦出现模块失效，往往会给乘员带来极大的风险。此外，在这些场合使用的IGBT模块的工作环境较为恶劣，如需要承受极高温和极低温的外界环境以及持续不断的工况变化，这些严酷的条件也要求IGBT模块必须具有更长的工作寿命。
IGBT模块的工作寿命取决于所受到的热应力，IGBT模块产生的热应力，主要源自内部的温度变化，造成IGBT内部温度变化的原因有2类[3]：第1类是由于电力电子装置输出功率的变化导致IGBT模块的损耗发生相应变化，损耗的变化最终引起器件结温产生波动；以电动汽车为例，车辆行驶状态的变化，如启动、加速、减速等均会引起模块内部温度的升高或降低，这类温度变化的幅值通常不高，但是频次较高，主要会对IGBT内部键合线及芯片焊层的寿命造成损伤。第2类是由于电力电子装置频繁的启动-工作-停机循环造成的温度变化。仍然以电动汽车为例，车辆在启动前，IGBT模块的温度与周围环境温度相同，当车辆启动并正常行驶后，模块的温度会显著上升，同样当车辆熄火后模块的温度逐渐下降并再
次与周围环境温度相同，这类温度变化相比第1类频次要低得多，但是变化幅值很高，特别是在极寒的气候条件下，这类温度变化的幅值可能达到150～200 ℃，如此巨大的温度变化量所产生的应力非常大，会极大地减少IGBT的寿命。
扭矩是什么为了验证汽车级IGBT产品的可靠性，本文选取了国外某公司的汽车级及普通工业级产品，按照该公司公布的测试条件分别进行了功率循环和温度循环试验，对比了各自的可靠性，同时给出了模块特性参数的变化规律，并利用超声扫描显微镜观察模块焊接层的缺陷产生和扩展情况。
1 模块失效机理
IGBT模块属于多层封装结构，各层封装材料的热膨胀系数不同。温度的波动会引起热膨胀系数不同的各层材料之间的热失配，从而产生热应力，其中热应力集中的部位包括：键合线，芯片焊层，底板焊层，如图1所示的红部位。随着热应力不断循环累积，首先会使键合线和焊接层产生裂纹，最终引发键合线脱落或焊层大面积分层导致模块失效。
图 1 IGBT模块多层结构示意Fig. 1 Schematic diagram of the IGBT module multilayer structure
因此，为确保 IGBT 及整个装置能够长时间安全可靠运行，需要对 IGBT 的可靠性进行评估，目前普遍采用的方法有功率循环试验和温度循环试验[1,4-10]。其中前者通过对IGBT施加脉冲电流使键合线焊点（简称键合点）及芯片焊层产生温度变化，功率循环试验的循环周期很短，通常只有几秒钟，用于验证键合线及芯片焊层的可靠性；后者则通过环境试验箱对IGBT进行整体加热和冷却，使整个模块产生温度变化，温度循环试验的循环周期相对较长，一般为几十分钟，用于验证底板焊接层的可靠性。
2 试验样品及试验条件
试验样品选取FF600R12ME4及FF400R07A1E3型IGBT模块，其中前者为工业级产品，后者为汽车级产品。功率循环和温度循环试验参照厂家公布的试验条件进行，见表1。
表 1 可靠性试验条件Table 1 Reliability test conditionsimages/BZ_59_271_2973_390_3071.pngimages/BZ_59_396_2973_583_3071.pngimages/BZ_59_589_2973_746_3071.pngimages/BZ_59_752_2973_891_3071.pngimages/BZ_59_897_2973_1235_3071.pngimages/BZ_59_271_3071_390_3167.pngimages/BZ_59_396_3071_583_3167.pngimages/BZ_59_589_3071_746_3167.pngimages/BZ_59_752_3071_891_3167.pngimages/BZ_59_897_3071_1235_3167.pngimages/BZ_59_271_3167_390_3266.pngimages/BZ_59_396_3167_583_3266.pngimages/BZ_59_589_3167_746_3266.pngimages/BZ_59_752_3167_891_3266.pngimages/BZ_59_897_3167_1235_3266.png
3 功率循环试验
3.1 工业级产品功率循环试验
汽车清洁剂进行功率循环试验的FF600R12ME4型IGBT模块共计4只，按照表1所列的试验条件进行试验，试验期间每进行10万次循环，对样品的特性参数进行测试，总结参数的变化规律并判断样品是否失效。图2列出了4只IGBT模块在功率循环试验期间导通压降VCEsat的变化规律，从图2中可以看出，在30万次循环之前，4只样品的VCEsat值小幅上升约2%，30万次循环到70万次循环，VCEsat值基本不变，但是进行约80万次循环后，其中1只样品（编号0094）的VCEsat值突然升高了8%。将样品开盖后观察内部键合线形貌，见图3，被测IGBT模块为对称封装结构，试验仅对其中一只桥臂进行，试验桥臂由3只IGBT芯片并联组成，其中绿框内的2只IGBT芯片上方的键合线发生脱落，而蓝框内的IGBT芯片上方的键合线均完好；仔细观察发现，蓝框内IGBT芯片上表面的4个分隔区域内的键合点数量全部为11，而绿框内的IGBT芯片上表面仅最下方区域键合点数量为11，其余3个区域内键合点数量为5或8，由于键合点数量减少，流过相同的总电流时，单根键合线流过的电流就更大，相应的键合点处的温升和热应力也就更加严重，因此导致键合点少的区域内的键合线最先发生失效。继续进行试验，编号为0095的样品在90万次循环后，VCEsat升高约4.4%，100万次循环后VCEsat升高约10%，同样对0095号样品开盖观察，发现与0094号样品的情况类似，均在相同位置发现键合线脱落，其余2只样品（编号0092和0093）在110万次循环结束后仍未发现VCEsat有明显升高。
图 2 工业级IGBT功率循环试验期间导通压降变化Fig. 2 VCEsat behavior of industrial IGBT at a power cycling test
图 3 80万次功率循环后工业级IGBT内部照片Fig. 3 Inside image of industrial IGBT after 800,000 power cycles
中级车推荐试验期间阈值电压VGE(th)、栅极泄漏电流IGES、集电极截止电流ICES以及结壳热阻RthJC的变化情况，见图4～7，可以看出，这4个参数无显著变化。
图 4 工业级IGBT功率循环试验阈值电压变化Fig. 4 VGE(th) behavior of industrial IGBT at a power cycling test
图 5 工业级IGBT功率循环试验栅极漏电流变化Fig. 5 IGES behavior of industrial IGBT at a power cycling test
重汽集团图 6 工业级IGBT功率循环试验集电极截止电流变化Fig. 6 ICES behavior of industrial IGBT at a power cycling test
图 7 工业级IGBT功率循环试验结壳热阻变化Fig. 7 RthJC behavior of industrial IGBT at a power cycling test
图 8 100万次功率循环后工业级IGBT声学扫描图像Fig. 8 SAM image of industrial IGBT after one million power cycles
为了进一步观察功率循环试验对IGBT模块焊接层的损伤程度，使用超声扫描显微镜对0095号样品的焊层进行扫描，结果见图8。从图8中可以看出，3只IGBT的芯片焊层边缘处均出现缺失，且其中2只芯片的中心区域发现一定面积的阴影，该阴影显然是由于芯片焊层出现分层导致。值得注意的是，0095号样品的热阻在100万次循环结束后，并无明显升高（见图7），原因可能是由于芯片焊层的分层间隙还很小，还没有影响到芯片的热量传导，因此热阻无显著变化。业内通常将热阻上升20%作为产品失效的判据[5]，但是从本文的试验结果看，键合线脱落才是导致模块失效的主要原因，芯片焊层虽也出现了缺陷，但是不足以引起热阻上升。
从试验结果看，VCEsat是功率循环试验中最为敏感的特性参数，应作为功率循环寿命的判定指标。随着热应力的不断施加，键合线与芯片上表面的结合强度不断降低，使得键合点
处的接触电阻升高，VCEsat的上升即是键合点处接触电阻升高导致。此外，从图2中还可以看出，功率循环初期，样品的VCEsat首先会有小幅的升高，此后很长时间内均相对稳定，当临近失效时，VCEsat才会急剧上升，根据本文的试验结果，建议将VCEsat上升5%作为模块的失效判据，如果上升幅值选择过小，如2%，则会严重低估模块的功率循环寿命。
3.2 汽车级产品功率循环试验
进行功率循环试验的FF400R07A1E3型IGBT模块共计2只，按照表1所列的试验条件进行试验，每15万次循环进行一次期间测试。图9列出了2只IGBT模块在功率循环试验期间导通压降VCEsat的变化规律，从图中可以看出，在45万次循环之前，2只样品的VCEsat值上升较为缓慢，当进行到56.5万次循环时，2只样品的VCEsat值均大幅上升超过5%，将其中一只样品（编号0055）开盖后观察内部键合线形貌见图10，该IGBT模块为6单元封装结构，试验仅对其中一只桥臂进行，试验桥臂由（绿框内的）2只IGBT芯片并联组成，2只IGBT上表面的键合线均部分发生脱落。
图 9 汽车级IGBT功率循环试验导通压降变化Fig. 9 VCEsat versus number of cycles for au
tomotive IGBT modules
图 10 功率循环试验后汽车级IGBT内部照片Fig. 10 Inside image of automotive IGBT after the power cycle test
试验期间阈值电压VGE(th)、栅极泄漏电流IGES以及集电极截止电流ICES的变化情况，见图11～13，可以看出，这三个参数依然无显著变化。
玛莎拉蒂撞人同样，为了进一步观察功率循环试验对汽车级IGBT模块焊接层的损伤程度，使用超声扫描显微镜对其中0055号样品的焊层进行扫描，结果见图14。从图14中可以看出，与工业级产品不同，汽车级产品的芯片焊层边缘处未出现开裂，但是中心区域发现大面积阴影，且阴影颜相对较深，对该样品的结壳热阻进行测试，发现功率循环试验后的结壳热阻相较试验前上升了7%，说明被测样品芯片焊层的分层已明显影响了芯片的正常散热，芯片焊层分层与键合点裂纹共同加速了器件的失效，因此，导致汽车级IGBT模块的功率循环寿命反而比工业级产品的寿命还要低。
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