李亞萍，周雒維，孫鵬菊

（1.重慶大學(xué)輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400044；2.石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，石河子832000）

IGBT功率模塊加速老化方法綜述

李亞萍1,2，周雒維1，孫鵬菊1

（1.重慶大學(xué)輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400044；2.石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，石河子832000）

功率變流器的可靠性評(píng)估和壽命預(yù)測(cè)已經(jīng)成為非常重要的研究課題。IGBT功率模塊的大量使用在諸多領(lǐng)域里越來越廣泛，它們的失效主要由熱機(jī)械疲勞引起，而在正常工作運(yùn)行時(shí)，這種疲勞老化過程很漫長。因此，為全面觀察和探究功率模塊的疲勞老化失效過程，需要設(shè)計(jì)加速老化試驗(yàn)以縮短研究周期。最普遍的老化試驗(yàn)方法是對(duì)器件施加熱應(yīng)力和電應(yīng)力，對(duì)器件不斷熱沖擊實(shí)現(xiàn)加速老化進(jìn)程的目的。文中主要?dú)w納分析了各種加速老化方法的目的和差別，并重點(diǎn)總結(jié)了功率循環(huán)加速老化方法在不同試驗(yàn)條件、失效方式、試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間、試驗(yàn)電路設(shè)計(jì)、監(jiān)測(cè)的電氣參數(shù)和熱參數(shù)等方面的不同，目的在于提出加速老化方法的一般步驟和需要考慮的問題。最后根據(jù)這些問題對(duì)加速老化方法的研究進(jìn)行了展望，為IGBT功率模塊乃至整個(gè)變流器系統(tǒng)的失效機(jī)理分析、可靠性分析、壽命預(yù)測(cè)、健康狀態(tài)評(píng)估和狀態(tài)監(jiān)測(cè)的研究奠定了基礎(chǔ)。

可靠性；功率循環(huán)；熱循環(huán)；加速老化；先兆參量

引言

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，IGBT的應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷拓展，逐漸向大功率以及特殊領(lǐng)域，如新能源發(fā)電、機(jī)車牽引、艦艇推進(jìn)系統(tǒng)以及航空航天動(dòng)力系統(tǒng)等滲透。這類應(yīng)用領(lǐng)域工況嚴(yán)酷且對(duì)IGBT的可靠性有嚴(yán)格的要求［1-7］。而應(yīng)用于開關(guān)電源、家用電器等電子裝置中的電力電子器件，工況較平穩(wěn)，功率循環(huán)波動(dòng)小，因此對(duì)這類電力電子系統(tǒng)可靠性評(píng)估通?？刹捎每煽啃?、失效率、平均無故障時(shí)間MTTF（mean time to failures）、平均維修時(shí)間MTTR（mean time to repair）和可用性等指標(biāo)［8］。對(duì)于工況復(fù)雜，例如風(fēng)電變流器需要面對(duì)潮濕、極端的高低溫、風(fēng)沙和鹽、霧等外部環(huán)境，功率循環(huán)波動(dòng)大的電力電子系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲，機(jī)側(cè)變流器的頻率、電流、電壓需要隨風(fēng)速變化而不斷變化，將在功率器件上產(chǎn)生大量功率循環(huán)/熱循環(huán)載荷，對(duì)功率器件的可靠性造成很大影響，在電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)和機(jī)車牽引領(lǐng)域的功率變流裝置也面臨同樣的可靠性問題，功率變流裝置中的IGBT器件伴隨著較大的溫度波動(dòng)，承受周期變化的熱應(yīng)力沖擊，形成長期的失效累積，從而降低器件乃至整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。因此，需要更好的方法研究由工作狀況產(chǎn)生熱機(jī)械應(yīng)力引起老化累積的可靠性問題。

可靠性是一個(gè)系統(tǒng)或組件在規(guī)定的運(yùn)行條件和環(huán)境下，在特定的時(shí)間周期內(nèi)執(zhí)行一定功能的能力［9］。對(duì)于電力電子系統(tǒng)可靠性問題可從器件層面和系統(tǒng)層面進(jìn)行討論。工業(yè)經(jīng)驗(yàn)表明，尤其在可再生能源發(fā)電系統(tǒng)中，動(dòng)態(tài)負(fù)荷和輸入變化引入額外的應(yīng)力，導(dǎo)致功率半導(dǎo)體器件疲勞和高失效率。一般地，在變換器系統(tǒng)中，功率半導(dǎo)體器件失效約20%［10］。研究表明，影響IGBT模塊的可靠性，造成其老化失效的主要原因是熱機(jī)械疲勞，可造成鍵合引線脫落、斷裂、焊料層疲勞，如果發(fā)現(xiàn)及時(shí)，可避免隨后的器件短路、開路故障，以及器件燒毀或爆炸，避免進(jìn)一步引起整個(gè)系統(tǒng)故障發(fā)生。

加速老化方法是研究電力電子器件可靠性的一種非常重要的方法，可以用于了解器件各種失效機(jī)理，發(fā)現(xiàn)器件封裝的薄弱環(huán)節(jié)，有利于廠商從材料和結(jié)構(gòu)層面進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化；研究老化過程中器件的失效特征參量的變化情況，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測(cè)，從而提高可靠性；也可以用于描述IGBT模塊的壽命特性，根據(jù)不同的溫度變化和失效時(shí)間進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)［5］；還可以對(duì)器件潛在失效機(jī)理建立物理失效模型，實(shí)現(xiàn)可靠性評(píng)估。正常運(yùn)行中，IGBT模塊疲勞老化過程緩慢，壽命周期長，對(duì)電力電子系統(tǒng)使用壽命的要求至少在10年以上，甚至要求達(dá)到30年，為了研究其可靠性，實(shí)施加速老化試驗(yàn)具有一定的必要性。然而對(duì)功率半導(dǎo)體器件的加速老化試驗(yàn)還沒有一個(gè)詳細(xì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)說明和標(biāo)準(zhǔn)。IEC標(biāo)準(zhǔn)（IEC60749-34、IEC60068-2-14）和JEDEC標(biāo)準(zhǔn)（JESD22-A105C、JESD22-A122）都規(guī)定了一般的功率循環(huán)和熱循環(huán)試驗(yàn)步驟，但程序細(xì)節(jié)仍然含糊不清［10-13］。因此，英飛凌、賽米控、富士電機(jī)等器件制造商建立了各自內(nèi)部的試驗(yàn)理念，用于定義、維護(hù)和改善內(nèi)部的質(zhì)量水平，但很難對(duì)不同廠家的試驗(yàn)結(jié)果合格的限制條件進(jìn)行對(duì)比評(píng)定。

本文首先闡述加速老化試驗(yàn)的概念和模型,主要研究IGBT模塊由于熱機(jī)械應(yīng)力引起老化疲勞累積問題的可靠性試驗(yàn)方法，分析功率循環(huán)加速老化試驗(yàn)和熱循環(huán)加速老化試驗(yàn)的特點(diǎn)，指出各種試驗(yàn)方法的優(yōu)缺點(diǎn)，以及不同加速老化試驗(yàn)設(shè)計(jì)過程中需要考慮的問題，為IGBT功率模塊乃至變流器的失效機(jī)理分析、可靠性分析、壽命預(yù)測(cè)、健康狀態(tài)評(píng)估和狀態(tài)監(jiān)測(cè)的研究奠定基礎(chǔ)。

1 加速老化試驗(yàn)

1.1 加速老化試驗(yàn)的概念及模型

加速老化試驗(yàn)AAT（accelerated aging test）是對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行可靠性調(diào)查、分析和評(píng)價(jià)的一種手段。試驗(yàn)結(jié)果為故障分析、研究采取的糾正措施、判斷產(chǎn)品是否達(dá)到指標(biāo)要求提供依據(jù)。所以，又被稱為加速壽命試驗(yàn)ALT（accelerated life test）或加速退化試驗(yàn)ADT（accelerated degradation test）。

IGBT模塊的加速老化試驗(yàn)主要研究器件的封裝可靠性問題。由于IGBT模塊多層結(jié)構(gòu)及不同材料間熱膨脹系數(shù)的不匹配，在反復(fù)的熱循環(huán)沖擊下，容易引起材料的疲勞老化。鋁鍵合線脫落和焊料層疲勞是IGBT在功率循環(huán)中最主要的兩種失效模式，還會(huì)引起焊料層分層、空洞率增加、鋁箔金屬化重構(gòu)。研究表明，不同材料之間的熱機(jī)械應(yīng)力隨著溫度的變化而變化，熱膨脹系數(shù)的不匹配將導(dǎo)致鍵合引線的剝離、翹曲或斷裂以及焊料層的開裂，最終使得芯片的結(jié)構(gòu)發(fā)生變形或連接處發(fā)生熱疲勞而導(dǎo)致器件失效。

功率器件的解析壽命模型是描述失效周期數(shù)Nf和加速老化試驗(yàn)中各變量間的關(guān)系，通過對(duì)老化數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的擬合，求出參數(shù)因子；反過來，壽命模型也可以進(jìn)一步指導(dǎo)設(shè)計(jì)加速老化試驗(yàn)。其中，循環(huán)周期是指加速老化過程中，結(jié)溫Tj從最高溫度到最低溫度循環(huán)一個(gè)周期，即為一次。失效周期數(shù)Nf即壽命，是指隨著結(jié)溫波動(dòng)使器件趨于老化失效的周期數(shù)。所以在加速老化試驗(yàn)中，結(jié)溫的獲取是關(guān)鍵的。根據(jù)Coffin-Manson法則，溫度波動(dòng)越大，壽命越短。最初的壽命模型為

式中：Nf為失效周期數(shù)；A和α為恒定常系數(shù)；ΔTj為結(jié)溫波動(dòng)。該式說明壽命與結(jié)溫波動(dòng)有關(guān)，增大結(jié)溫波動(dòng)可以加速半導(dǎo)體器件的老化進(jìn)程。

另外，Coffin-Manson法則中引入一個(gè)Arrhenius因子，則解析壽命模型所描述的表達(dá)式變?yōu)?/p>

式中：Tm為平均溫度；KB為玻爾茲曼常數(shù)，KB= 1.380×10-23J/K；Ea為激活能Ea=9.89×10-20J；參數(shù)A和α由試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合所得［5］。該式說明壽命除了與結(jié)溫波動(dòng)有關(guān)外，還受溫度平均值影響，幾乎所有硅半導(dǎo)體器件的失效過程都會(huì)因溫度升高而加速［14］。文獻(xiàn)［15］指出近60%的器件失效是由溫度引起，在正常工作溫度范圍內(nèi)，溫度每上升10℃，器件失效概率以近2倍的速率上升，其壽命模型為

式中：Tjmin為結(jié)溫最小值；ton、I、V和D分別為模塊的升溫時(shí)間、單根鍵合引線電流、模塊阻斷電壓和鍵合引線直徑［16］。式（3）是對(duì)不同廠家的IGBT進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)，所以考慮的影響因素更多，且各變量盡量相互獨(dú)立。

可見,失效周期數(shù)Nf與加速老化試驗(yàn)中很多變量包括溫度最小值、結(jié)溫波動(dòng)、平均溫度、電流、循環(huán)頻率、溫度上升速率等有關(guān)系。所以可以通過加速老化試驗(yàn)調(diào)節(jié)這些變量，控制對(duì)器件施加的應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)加速器件的老化進(jìn)程。

加速老化試驗(yàn)的成敗關(guān)鍵是掌握加速老化試驗(yàn)中的加速因子AF（accelerated factor）［17］，AF用以表征產(chǎn)品在不同應(yīng)力水平下失效過程的快慢程度，也稱為加速系數(shù)，是試驗(yàn)中的一個(gè)重要參數(shù)，指正常應(yīng)力下某種壽命特征與加速應(yīng)力相應(yīng)壽命特征的比值，其定義可表示為

式中：Nnormal為正常應(yīng)力水平下產(chǎn)品的壽命；Nstress為加速應(yīng)力水平下產(chǎn)品的壽命。

通常情況下，IGBT模塊在實(shí)際應(yīng)用工況下，累積疲勞老化過程中，受溫度影響巨大，加速試驗(yàn)常采用溫度作為加速應(yīng)力。高溫應(yīng)力加速因子可由Arrhenius模型計(jì)算，即

式中：Tnormal為正常工作溫度；Tstress為施加應(yīng)力的溫度。溫度循環(huán)加速因子可由Coffin-Mason公式計(jì)算，即

式中：Tstress（hot/cold）為應(yīng)力溫度；Tuse（hot/cold）為使用溫度；β為溫度變化的加速率常數(shù)。

現(xiàn)有文獻(xiàn)中采用方法的不同，主要有功率循環(huán)加速老化方法、熱循環(huán)加速老化方法，還有功率循環(huán)和熱循環(huán)結(jié)合的加速老化方法，都屬于循環(huán)應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)，其應(yīng)力是按一定的周期和幅度進(jìn)行變化。其中，功率循環(huán)試驗(yàn)是通過導(dǎo)通或高頻通斷給器件施加功率，產(chǎn)生熱損耗，使器件溫度發(fā)生周期性波動(dòng)，相當(dāng)于是一種“主動(dòng)”（active）加速循環(huán)試驗(yàn)；熱循環(huán)試驗(yàn)中，器件溫度波動(dòng)是由外部環(huán)境溫度變化引起，被認(rèn)為是“被動(dòng)”（passive）循環(huán)試驗(yàn)［5］，溫度波動(dòng)周期較長。現(xiàn)有研究結(jié)果表明，功率循環(huán)常引起鍵合引線失效和焊料層疲勞，而熱循環(huán)易引起焊料層疲勞［18］?？焖俚墓β恃h(huán)（循環(huán)周期以秒計(jì)）及溫度波動(dòng)較大（結(jié)溫波動(dòng)ΔTj＞100 K）易導(dǎo)致鍵合引線失效，而較慢的功率循環(huán)（循環(huán)周期以分鐘計(jì)）和較低的溫度波動(dòng)（ΔTj＜80 K）,易導(dǎo)致焊料層疲勞［19-21］。這兩種老化實(shí)驗(yàn)方法的共同點(diǎn)是保證器件都工作在安全工作區(qū)，電壓、電流、溫度都不超過規(guī)定的額定值。一般認(rèn)為，電氣系統(tǒng)的應(yīng)力是指電壓、電流和溫度，功率是獨(dú)立應(yīng)力，但是也可看作電壓、電流和熱的應(yīng)力組合。所以，其中功率循環(huán)試驗(yàn)更接近器件實(shí)際的運(yùn)行情況，有助于進(jìn)一步研究器件在運(yùn)行條件下的狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮屠匣囼?yàn)方法，國內(nèi)外常用的IGBT老化試驗(yàn)設(shè)備也相應(yīng)地分為2種：熱循環(huán)加速老化試驗(yàn)設(shè)備和功率循環(huán)加速老化試驗(yàn)設(shè)備。這兩種老化設(shè)備是針對(duì)器件封裝失效設(shè)計(jì)的，其中功率循環(huán)老化設(shè)備根據(jù)采用的加熱電源不同，又分為直流功率循環(huán)加速老化設(shè)備和交流功率循環(huán)加速老化設(shè)備，也相應(yīng)存在一些弊端，如批量老化器件數(shù)量較少、采用的電源過多、成本造價(jià)過高等，目前國內(nèi)成熟產(chǎn)品較少。

以IGBT模塊為加速老化試驗(yàn)的研究對(duì)象，典型的IGBT模塊的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，失效模式多樣，對(duì)IGBT模塊的加速老化試驗(yàn)的描述也各有異同。IGBT模塊的失效模式有短路、開路、漏電流增加或柵極失控等，失效的原因主要是由于環(huán)境條件（高溫）或運(yùn)行條件（熱應(yīng)力、電應(yīng)力）綜合作用引起，是一個(gè)復(fù)雜且逐漸積累的過程，其主要的失效機(jī)理包括：焊料層疲勞、鋁鍵合引線故障、熱電子和時(shí)間相關(guān)的電介質(zhì)擊穿TDDB、擎住效應(yīng)等［22］。這些失效機(jī)理可以通過觀察某個(gè)或某些重要的特征參量的變化進(jìn)行辨識(shí)［23］，在實(shí)際應(yīng)用中，可用于狀態(tài)監(jiān)測(cè)和失效前預(yù)測(cè)。IGBT模塊的失效機(jī)理、失效模式和潛在原因分析［24-25］如表1所示。

圖1 IGBT模塊剖面Fig.1 Cross section of IGBT module

表1 IGBT模塊失效模式、機(jī)理、原因和先兆參數(shù)Tab.1 Failure modes,mechanisms and effects of IGBT module

根據(jù)以上論述的IGBT模塊在實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)的各種失效模式、機(jī)理、原因的分析，可將器件的失效分為與芯片相關(guān)的失效和與封裝相關(guān)的失效，前者屬于突發(fā)型失效，后者屬于退化型失效。退化型失效是一個(gè)逐漸積累演變的過程，鍵合線逐漸斷裂、脫落，焊料層空洞逐漸擴(kuò)大、分層，更適合采用加速功率循環(huán)和熱循環(huán)的方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)器件加速老化進(jìn)行分析和研究。

為了提高器件和變流器系統(tǒng)的可靠性和使用壽命，也有很多研究者從材料和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，改進(jìn)鍵合線和焊料層連接層的材料、尺寸和工藝［26-28］，或者從系統(tǒng)的容錯(cuò)和冗余設(shè)計(jì)［29-30］，但這將會(huì)增加器件制造成本或受系統(tǒng)有限空間限制。近幾年，可靠性研究趨向于狀態(tài)監(jiān)測(cè)、壽命預(yù)測(cè)和主動(dòng)熱管理方向［31-33］，需要考慮實(shí)際運(yùn)行工況，所以功率循環(huán)加速老化方法成為研究熱點(diǎn)。

1.2 熱循環(huán)加速老化試驗(yàn)

熱循環(huán)試驗(yàn)也稱為溫度循環(huán)試驗(yàn)，是通過外部加熱和冷卻裝置，使器件承受較大范圍的溫度波動(dòng)，器件本身不消耗功率產(chǎn)生熱量，但要求循環(huán)時(shí)間必須足夠長，以使所有組件的裝配能夠達(dá)到最大或最小溫度。此試驗(yàn)可以考驗(yàn)器件耐受極限高溫和極限低溫的能力，以及惡劣的環(huán)境溫度對(duì)器件性能的影響［34］。熱循環(huán)試驗(yàn)主要對(duì)焊料層的可靠性影響很大，容易引起芯片下焊料層和DBC下焊料層發(fā)生疲勞老化，根本原因在于IGBT模塊是多層結(jié)構(gòu)，每層材料的熱膨脹系數(shù)不匹配，如表2所示，在熱機(jī)械應(yīng)力作用下，使焊料層疲勞老化。

表2 IGBT模塊組成材料的熱膨脹系數(shù)Tab.2 The CET of different material used in IGBT module

RAPSDRA（1995-1998）項(xiàng)目的熱循環(huán)試驗(yàn)中，Tmin=25℃，Tmax=105℃，125℃，tcycl=4 min，試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間［35］28 d，循環(huán)周期比功率循環(huán)試驗(yàn)要長。文獻(xiàn)［36］的熱循環(huán)試驗(yàn)溫度變化范圍-40℃～125℃，循環(huán)周期66 min和30 min，討論了功率模塊在不同熱循環(huán)周期的疲勞壽命和焊接裂紋行為。文獻(xiàn)［37］進(jìn)行了3組溫度循環(huán)試驗(yàn)：-40℃/120℃、40℃/120℃、-40℃/ 40℃，循環(huán)周期分別為：62 min、45 min、45 min，提出焊料層壽命不僅與溫度波動(dòng)有關(guān)，也受最高溫度和最低溫度的影響，尤其對(duì)高功率IGBT模塊的DBC和底板間的焊料層的裂紋萌生和擴(kuò)展有很大影響。通過熱循環(huán)試驗(yàn)證明，對(duì)于無鉛焊料封裝的IGBT模塊，具有更好的耐焊料層退化能力［38］。

綜上所述，熱循環(huán)試驗(yàn)主要用于研究功率IGBT模塊的焊料層疲勞狀況，從材料、厚度、結(jié)構(gòu)角度，以及溫度對(duì)焊料層壽命的影響進(jìn)行了討論，優(yōu)化器件的設(shè)計(jì)提高其可靠性。

1.3 功率循環(huán)加速老化試驗(yàn)

功率循環(huán)加速老化試驗(yàn)是通過導(dǎo)通或高頻通斷給器件施加功率，產(chǎn)生熱損耗，使器件溫度發(fā)生很大的周期性波動(dòng)，形成熱沖擊，產(chǎn)生熱電應(yīng)力，從而加速老化進(jìn)程。其目的是在較短的時(shí)間里了解功率模塊的老化和失效機(jī)理的關(guān)系，因此，在較短的試驗(yàn)周期里獲得老化數(shù)據(jù)，用于監(jiān)測(cè)和發(fā)現(xiàn)模塊在某一現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中的狀態(tài)，通過功率變流器的降額運(yùn)行來調(diào)節(jié)器件的老化進(jìn)程，從而提高系統(tǒng)可靠性。

1.3.1 功率循環(huán)電路

電路的選擇需要考慮功率變換器的應(yīng)用領(lǐng)域和運(yùn)行條件，盡量使加速試驗(yàn)更接近實(shí)際運(yùn)行情況，功率循環(huán)的主要功能是給IGBT模塊通入電流時(shí)，溫度增加到其額定值（一般小于125℃）后，關(guān)斷電流、散熱，溫度減小到穩(wěn)定值（一般大于25℃），保證溫度周期性波動(dòng)。功率循環(huán)電路根據(jù)通入IGBT模塊的電流波形不同劃分為直流功率循環(huán)電路和PWM交流功率循環(huán)電路兩種，如圖3所示。

圖3 直流和交流功率循環(huán)試驗(yàn)概念示意Fig.3 DC and AC power cycling test concepts

（1）DC功率循環(huán)電路：連續(xù)的一段時(shí)間通入恒定電流的電路被認(rèn)為是DC電路，典型的DC功率循環(huán)電路如圖4所示，IGBT模塊柵極信號(hào)保持恒定，開關(guān)S1和S2交替導(dǎo)通，通常選用半導(dǎo)體器件代替2個(gè)開關(guān)［39］，給IGBT模塊周期性提供指定的負(fù)載電流和毫安級(jí)小電流（小電流的作用是采用溫敏電參數(shù)法間接獲得結(jié)溫）。柵極連接恒定不變的電壓，柵極電壓超過柵射極閾值電壓，確保導(dǎo)通時(shí)產(chǎn)生大量功率損耗，通過調(diào)節(jié)負(fù)載電流Iload、開通時(shí)間ton、關(guān)斷時(shí)間toff和散熱系統(tǒng)使Tmin和Tmax達(dá)到合適值。文獻(xiàn)［5］對(duì)300 A/1 200 V單管IGBT模塊進(jìn)行快速直流功率循環(huán)試驗(yàn)，VGE=15 V，Iload=240～300 A，ton=0.6～4.8 s，toff=0.4～5 s，水冷散熱，Tm分別為60℃、80℃、100℃，ΔTj=30～80 K。多數(shù)文獻(xiàn)描述的功率循環(huán)試驗(yàn)是確保結(jié)溫在最大值和最小值之間周期波動(dòng)，由于獲得準(zhǔn)確的結(jié)溫有一定難度，所以也有文獻(xiàn)是確保殼溫在最大值和最小值之間周期波動(dòng)，前者循環(huán)周期時(shí)間較短，一般以s計(jì)，后者循環(huán)周期時(shí)間較長，一般以min計(jì)［40］。總之，直流加速老化試驗(yàn)方法的特點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，較容易測(cè)量特征參量，是一種最流行的加速試驗(yàn)電路，容易控制。但不足之處是與IGBT模塊實(shí)際工作狀態(tài)還是有一定區(qū)別，因?yàn)閷?shí)際運(yùn)行時(shí)，IGBT模塊是工作在高頻開關(guān)狀態(tài)的，存在開關(guān)損耗，通過IGBT的電流幅值是變化的，而且還有反并聯(lián)二極管的損耗，而在直流加速老化方法中IGBT只有導(dǎo)通損耗。

圖4 典型直流功率循環(huán)電路Fig.4 Typical DC power cycling test circuit

（2）AC功率循環(huán)電路：首先器件處于開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)頻率為幾kHz，使溫度上升到最大值；然后器件處于關(guān)斷狀態(tài)，通過散熱器降溫，溫度下降到最小值。文獻(xiàn)［21］對(duì)600 V/200 A的IGBT進(jìn)行功率循環(huán)加速老化，采用帶有感性負(fù)載的全橋逆變器電路，如圖5所示，交流功率循環(huán)試驗(yàn)采用PWM運(yùn)行模式，可以同時(shí)老化4～6個(gè)IGBT模塊，選出19個(gè)樣本采用5種不同的老化條件進(jìn)行加速試驗(yàn)，對(duì)結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)的分析和對(duì)比，并提出了PWM功率循環(huán)老化方式與直流功率循環(huán)老化方式的區(qū)別。全橋逆變電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，包括開關(guān)損耗，有較小的輸入能量要求，屬于節(jié)能測(cè)試電路［41-42］。文獻(xiàn)［43-44］采用2個(gè)西門子的IGBT模塊（1 200 A/3.2 kV）組成推挽式電路，當(dāng)集電極電流為零時(shí)柵極電壓關(guān)斷，避免開關(guān)損耗。關(guān)斷時(shí)底板溫度保持在45℃，殼溫的變化量ΔTc=50 K，結(jié)溫的變化量ΔTj=60 K，平均結(jié)溫Tj=106℃，通入600 A的電流使波動(dòng)達(dá)到要求，導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間為50 s，記錄電壓、電流、殼溫、散熱器和水的溫度。對(duì)銅底板模塊和AlSiC底板模塊進(jìn)行試驗(yàn)和比較，發(fā)現(xiàn)前者的基板和底板間發(fā)生老化分層，后者沒有任何失效產(chǎn)生［39］。

所以，采用交流功率循環(huán)試驗(yàn)電路進(jìn)行加速老化試驗(yàn)，IGBT模塊的運(yùn)行更接近實(shí)際工作情況。但高頻PWM條件下特征量的提取有一定難度，測(cè)量更復(fù)雜，仍需進(jìn)一步研究。

圖5 交流功率循環(huán)電路Fig.5 AC power cycling test circuit

1.3.2 控制策略

在功率循環(huán)試驗(yàn)中，初始參數(shù)可能是任意的，但I(xiàn)GBT模塊的電參數(shù)和熱參數(shù)會(huì)隨器件的衰退而變化，整個(gè)試驗(yàn)過程中選擇合適的控制參數(shù)和策略是非常必要的，文獻(xiàn)［45］指出通過功率循環(huán)試驗(yàn)測(cè)試器件的壽命，不僅與參數(shù)的初始值有關(guān)，而且所選的控制策略對(duì)其也有很大的影響。

根據(jù)不同的控制參數(shù)可以定義幾種不同的功率循環(huán)控制策略：（1）固定導(dǎo)通關(guān)斷時(shí)間的循環(huán)時(shí)間控制。在這一策略中，通過選擇合適的導(dǎo)通、關(guān)斷時(shí)間對(duì)ΔTj進(jìn)行調(diào)整。測(cè)試期間這些時(shí)間保持常數(shù)，不再使用其他的控制參數(shù)。這是最重要的試驗(yàn)條件，因?yàn)闇y(cè)試期間退化效應(yīng)可使ΔTj增加，從而會(huì)顯著縮短失效壽命。（2）基于參考溫度控制開通、關(guān)斷時(shí)間。這是歐洲制造商普遍使用的控制策略，采用環(huán)境溫度或散熱器的溫度作為控制參數(shù)，消除了冷卻條件變化對(duì)測(cè)試進(jìn)度的影響。如果采用環(huán)境溫度作為控制參數(shù)，即便是改變散熱器熱阻也不會(huì)影響測(cè)試結(jié)果。（3）恒定功率損耗的控制策略。這一策略通常與固定導(dǎo)通、關(guān)斷時(shí)間的方法結(jié)合在一起，通過控制電流或柵極電壓使得每個(gè)加熱階段的功率損耗為常數(shù)。測(cè)試期間，單個(gè)鍵合線的故障增加了功率器件的導(dǎo)通電壓降，從而增加功率損耗。對(duì)于正溫度系數(shù)的器件，焊料疲勞可能會(huì)增加結(jié)溫，因此也將增加器件的通態(tài)電壓降。恒定功率損耗的控制策略將會(huì)人為降低器件的損耗，從而延長器件的壽命。（4）恒定溫度波動(dòng)ΔTj的控制策略。在這一策略中，控制參數(shù)是在每個(gè)加熱階段結(jié)束時(shí)測(cè)量得到結(jié)溫。通常情況下，循環(huán)試驗(yàn)中通過控制導(dǎo)通、關(guān)斷時(shí)間使溫度波動(dòng)保持恒定，但也通過改變柵極電壓來控制電流和電壓降保持溫度波動(dòng)恒定，實(shí)際中兩種方法可選其一。在這種情況下，模塊的退化效應(yīng)不能改變溫度波動(dòng)。這是最沒有挑戰(zhàn)性的試驗(yàn)策略，將提供最高的壽命［46］。

1.3.3 運(yùn)行條件

功率循環(huán)試驗(yàn)運(yùn)行條件的選擇對(duì)于加速老化試驗(yàn)過程是至關(guān)重要的。首先是溫度的選擇，為了使器件衰退或老化失效的更快，更大的結(jié)溫波動(dòng)是非常必要的，但也必須保證IGBT模塊運(yùn)行在安全工作范圍，即最高溫度不能超過其額定值，增加溫度波動(dòng)幅值比增加平均溫度對(duì)加速器件老化起到的作用更大［47］，文獻(xiàn)［48］指出在很多應(yīng)用領(lǐng)域，如軍事、工業(yè)和化學(xué)電子、交通運(yùn)輸，器件工作在高溫等惡劣環(huán)境下，功率循環(huán)試驗(yàn)設(shè)置ΔTj為70 K（90～ 160℃），溫度控制采用水冷方式，結(jié)合加熱電阻實(shí)現(xiàn)升溫，實(shí)現(xiàn)了IGBT模塊處于高溫和大的溫度波動(dòng)狀態(tài)，使得試驗(yàn)條件更接近運(yùn)行條件。結(jié)溫的測(cè)量通常采用在加熱電流脈沖導(dǎo)通前后，通過在小的檢測(cè)電流下測(cè)量Vce間接得到結(jié)溫。散熱器溫度可以通過冷卻的方式調(diào)節(jié)基板絕對(duì)溫度。其次是電流的選擇，電流可以是矩形波，也可以是正弦波，大部分情況電流的幅值都被設(shè)定為器件的額定值，或略比額定值稍高。電壓的選擇，一般是低于其額定值，大部分試驗(yàn)電路采用感性負(fù)載，通常低于額定電壓的1/10。開關(guān)頻率在交流電路中起著重要的作用，高的開關(guān)頻率產(chǎn)生的開關(guān)損耗也高，因此能夠增加運(yùn)行的溫度，一般交流功率循環(huán)試驗(yàn)中開關(guān)頻率至少1 kHz。

1.3.4 先兆參量的監(jiān)測(cè)

在功率循環(huán)試驗(yàn)方法中，如何選擇可以辨識(shí)出器件失效的特征參量并準(zhǔn)確測(cè)量是非常重要的。失效先兆參量是指被測(cè)參量隨著即將到來的失效發(fā)生變化的特征量［49］，通過對(duì)特征參量的監(jiān)測(cè)和辨識(shí)，采取預(yù)測(cè)和相應(yīng)措施可以減輕其影響［50］。通過對(duì)IGBT模塊的失效模式和失效機(jī)理的分析和研究發(fā)現(xiàn)，主要的失效特征量有：結(jié)溫Tj、集射極導(dǎo)通壓降VCE、柵極閾值電壓VGE（th）、熱阻抗Zth、集電極電流IC、柵極信號(hào)和關(guān)斷時(shí)間等。文獻(xiàn)［51］采用關(guān)斷時(shí)間作為GTO的失效指標(biāo)實(shí)現(xiàn)健康監(jiān)測(cè)，因?yàn)镚TO的開關(guān)時(shí)間大約在10μs，而IGBT器件的開關(guān)時(shí)間更短，在10～500 ns范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)起來比較困難，關(guān)斷時(shí)間的增加主要是由于IGBT發(fā)生失效使結(jié)溫升高而引起的［52］。由于IGBT的開關(guān)速度快，測(cè)試?yán)щy，對(duì)硬件測(cè)試系統(tǒng)的要求極高，鮮有文獻(xiàn)采用開關(guān)時(shí)間作為特征參量。

IGBT的柵極信號(hào)也可作為特征參量進(jìn)行器件的狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，研究表明，由于IGBT器件老化使得柵極氧化層疲勞及內(nèi)部分布參數(shù)發(fā)生變化，導(dǎo)致老化前后IGBT的柵極閾值電壓、跨導(dǎo)隨老化程度及溫度變化，即柵極閾值電壓和跨導(dǎo)隨老化進(jìn)程而增大，同時(shí)隨結(jié)溫呈反比變化趨勢(shì)［50］。文獻(xiàn)［53-57］結(jié)合仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果指出IGBT模塊的鍵合引線脫落對(duì)柵極電壓電流信號(hào)的動(dòng)態(tài)波形有一定影響，從而提出利用柵極信號(hào)的開通波形進(jìn)行缺陷的辨識(shí)；文獻(xiàn)［58-59］利用柵極端電壓信號(hào)進(jìn)行IGBT模塊鍵合引線故障識(shí)別。由于柵極開通時(shí)間非常短暫，精確獲取柵極信號(hào)對(duì)硬件測(cè)量設(shè)備提出更高要求。

文獻(xiàn)［60-66］以集射極飽和壓降VCE（sat）作為鍵合引線脫落的特征參量，以熱阻Rth作為焊料層疲勞的特征量［67-70］。 且兩種老化方式都將使VCE（sat）發(fā)生變化，和幾V的飽和壓降相比，老化失效使其增加達(dá)幾百mV，所以較容易發(fā)現(xiàn)其變化；文獻(xiàn)［4］首次提出監(jiān)測(cè)到由于焊料層老化和鍵合引線脫落共同作用而引起的VCE（sat）下降再上升的驟變現(xiàn)象；文獻(xiàn)［71］描述了不同IGBT模塊選用鋁含量不同的鍵合引線，采用不同的鍵合技術(shù)直接鍵合到芯片金屬層，通過加速試驗(yàn)觀察到VCE（sat）隨老化次數(shù)的變化情況，并制定了3條失效標(biāo)準(zhǔn)：①VCE（sat）增加了5%；②Rth（jc）增加了20%；③柵射極短路或存在更高的漏電流，滿足其中一條標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)停止。VCE（sat）的測(cè)量相對(duì)其他已知的特征參量來說較容易，但受結(jié)溫和集電極電流影響較大，對(duì)于VCE（sat）的實(shí)時(shí)在線測(cè)量的研究也取得一定的成果，但測(cè)量電路較復(fù)雜，測(cè)量的準(zhǔn)確性有待進(jìn)一步提高。而結(jié)殼熱阻Rth（jc）的變化可以直接反應(yīng)IGBT模塊焊料層老化情況，需要精確獲得模塊內(nèi)部芯片的結(jié)溫有一定難度，許多學(xué)者對(duì)于結(jié)溫的測(cè)量和預(yù)測(cè)也進(jìn)行了相關(guān)研究［72］，取得了一定進(jìn)展，但準(zhǔn)確性方面有待進(jìn)一步提高，而且模塊內(nèi)部熱耦合現(xiàn)象也給測(cè)量帶來一定誤差。文獻(xiàn)［73］論述了所監(jiān)測(cè)的先兆參數(shù)的前景，并列出了常見失效發(fā)生的失效指標(biāo)變化的百分?jǐn)?shù)，如表3所示。但也有文獻(xiàn)描述了不同的失效標(biāo)準(zhǔn)，例如VCE（sat）的變化有5%［5,74］、15%［4］、20%［47］。從以上文獻(xiàn)對(duì)失效指標(biāo)的描述可以總結(jié)出：IGBT模塊老化失效先兆參量選擇是多樣的，以集射極飽和壓降和結(jié)到殼的熱阻作為特征量的文獻(xiàn)居多，因?yàn)槠錅y(cè)量方法較多和測(cè)試精度相對(duì)較高，分別可以對(duì)鍵合線脫落和焊料層老化這兩種主要的失效現(xiàn)象進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并且可以實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。而其他先兆參量的測(cè)量難度較大，精度不高，對(duì)硬件測(cè)試系統(tǒng)的要求更高。同時(shí)所有先兆參量的失效標(biāo)準(zhǔn)無法統(tǒng)一，僅知道其隨老化進(jìn)程的變化趨勢(shì)，所以有必要對(duì)失效先兆參量做進(jìn)一步研究。

表3 失效標(biāo)準(zhǔn)Tab.3 Failure criteria

1.3.5 試驗(yàn)持續(xù)的時(shí)間

功率循環(huán)試驗(yàn)過程中，當(dāng)觀察到特征量達(dá)到失效標(biāo)準(zhǔn)，或發(fā)生明顯的失效時(shí)，試驗(yàn)才停止，這段時(shí)間被稱為試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間，或失效時(shí)間。當(dāng)封裝失效達(dá)到一定程度最終將會(huì)引起芯片失效，最終發(fā)生器件開路或短路，甚至燒毀，所以對(duì)試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間的把握顯得尤為重要。在不同試驗(yàn)中，由于各文獻(xiàn)選用的IGBT模塊、實(shí)驗(yàn)條件、試驗(yàn)方法不同，所以試驗(yàn)持續(xù)的時(shí)間也各不相同，少則幾十天，多則幾個(gè)月，功率循環(huán)次數(shù)也達(dá)幾萬次到幾十萬次［46］。如果在一般的功率循環(huán)試驗(yàn)中使用熱電冷卻器，失效時(shí)間可以縮短20倍［75］。所以，為了實(shí)現(xiàn)增大器件溫度波動(dòng)的幅度，或提高溫度上升和下降的速率，從而進(jìn)一步加速器件的老化進(jìn)程，研究者們提出了功率循環(huán)和熱循環(huán)相結(jié)合的方法。

1.3.6 加速老化試驗(yàn)結(jié)果

老化試驗(yàn)失效結(jié)果的分析主要通過掃描聲學(xué)顯微技術(shù)SAM（scanning acoustic microscope）、電子顯微技術(shù)SEM（scanning electron microscope）、X射線顯微技術(shù)等，用于分析半導(dǎo)體器件的封裝失效結(jié)果，文獻(xiàn)［60，24］列出了功率循環(huán)的老化失效結(jié)果，如圖6所示，同時(shí)，失效過程中可采用電氣測(cè)量的方法觀察狀態(tài)特征參量的變化趨勢(shì)。

圖6 老化失效結(jié)果舉例Fig.6 Examples of degradations

2 試驗(yàn)方法對(duì)比

幾個(gè)典型加速老化試驗(yàn)的比較如表4所示，由表可知：

表4 典型加速老化試驗(yàn)對(duì)比Tab.4 Comparison of typical accelerated ageing tests

（1）功率循環(huán)加速老化試驗(yàn)和熱循環(huán)加速老化試驗(yàn)的共同點(diǎn)在于試驗(yàn)條件都未超出IGBT器件的安全工作區(qū)，所以失效都屬于熱機(jī)械疲勞累積產(chǎn)生的封裝失效，國內(nèi)外的相關(guān)學(xué)者通過這兩種循環(huán)試驗(yàn)研究IGBT模塊的封裝失效，即焊料層疲勞和鍵合引線老化的失效；

（2）這兩種試驗(yàn)方法的差異在于壽命終止的失效機(jī)理不同，功率循環(huán)試驗(yàn)解決的是焊接線脫落和芯片焊點(diǎn)疲勞問題，模塊內(nèi)部溫度是非一致性的，結(jié)溫高于殼溫和焊料層內(nèi)部溫度，熱傳播在整個(gè)模塊內(nèi)部形成溫度分布；熱循環(huán)試驗(yàn)主要解決焊料層可靠性問題，整個(gè)模塊的溫度是一致的；

（3）功率循環(huán)試驗(yàn)條件的定義要遠(yuǎn)比熱循環(huán)試驗(yàn)復(fù)雜，需考慮結(jié)溫波動(dòng)、結(jié)溫最大值和最小值、平均溫度、加熱電流、加熱導(dǎo)通時(shí)間。

3 結(jié)論

（1）選擇合適的加速老化試驗(yàn)控制策略，實(shí)現(xiàn)多個(gè)樣品同時(shí)老化，縮短老化進(jìn)程。加速老化試驗(yàn)控制策略的選擇，既要考慮器件的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合，使得更貼近系統(tǒng)的運(yùn)行工況，又要考慮試驗(yàn)過程中數(shù)據(jù)的提取點(diǎn)和后期的應(yīng)用研究。大部分文獻(xiàn)對(duì)這一點(diǎn)考慮不足，無法達(dá)到預(yù)期的老化效果，對(duì)于這個(gè)難點(diǎn)仍需進(jìn)一步對(duì)其深入研究。

（2）老化試驗(yàn)平臺(tái)與數(shù)據(jù)測(cè)量平臺(tái)一體化，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線測(cè)量，減少實(shí)驗(yàn)和測(cè)量誤差。由于老化特征參量隨老化進(jìn)程變化微小，使得對(duì)特征參量的選取和測(cè)量的精度要求很高，盡管許多文獻(xiàn)提出各種可選的特征參量和測(cè)量方法，但仍有進(jìn)一步挖掘和研究的空間。

（3）深入研究加速老化試驗(yàn)對(duì)IGBT模塊的失效機(jī)理的影響。盡管文獻(xiàn)中對(duì)加速老化試驗(yàn)的研究有一定進(jìn)展，但對(duì)于IGBT模塊的失效機(jī)理仍未充分認(rèn)識(shí)，多種失效機(jī)理相互影響，還需進(jìn)一步通過合理的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行分析和研究。只有充分了解各種失效機(jī)理，以及各種失效機(jī)理之間的相互影響，才能更好地實(shí)現(xiàn)IGBT模塊在實(shí)際運(yùn)行中的狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

（4）針對(duì)具體的研究目標(biāo)和后續(xù)的研究方向設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案。針對(duì)具體的研究目標(biāo)選擇試驗(yàn)控制策略和特征參量，數(shù)據(jù)的進(jìn)一步處理是個(gè)關(guān)鍵，找到合適的可靠性評(píng)估方法，以及實(shí)現(xiàn)IGBT模塊在系統(tǒng)運(yùn)行過程的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，所以器件老化方法的研究是前期基礎(chǔ)，以便更好地為后續(xù)研究服務(wù)。

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Review of Accelerated Aging Methods for IGBT Power Modules

LI Yaping1,2,ZHOU Luowei1,SUN Pengju1
（1.State Key Laboratory of Power Transmission Equipment and System Security and New Technology,Chongqing University,Chongqing 400044,China;2.College of Mechanical and Electronical Engineering, Shihezi University,Shihezi 832000,China）

Reliability of power converters and lifetime prediction has been a major topic of research.The applications of IGBT power modules became more and more widely in many fields.The main failures in high power semiconductor are caused by thermo-mechanical fatigure.However,the process of fatigure aging is very long in normal operation.Therefore,it needs to design acceleration test for shorten research cycle,in order to comprehensive observation,and explore the process of the aging fatigure failure.Thermal stress and electric stress imposed to devices are the two most common methods of aging,through thermal shock on devices the progress of the aging are accelerated.The literature review of the state-of-art of experiment purpose and difference of different tests for accelerated aging tests of IGBTs is generalized.and a comparison of power cycling tests based on operation conditions,failure modes,duration, test circuits design monitored electrical and thermal parameters is presented to develop generalized steps and problems in accelerated aging tests.At last,the outlook for accelerated aging methods rasearch of power modules is given.Which lays the foundation for failure mechanism analysis,reliability analysis,lifetime prediction,health state evaluation and condition of IGBT power modules and the whole converter systems.

reliability;power cycling;thermal cycling;accelerated aging;precursor indicators

李亞萍

李亞萍（1980-），女，博士研究生，講師，研究方向：功率變流器可靠性，E-mail：1015883488@qq.com。

周雒維（1954-），男，通信作者，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：電力電子技術(shù)，電路原理，電能質(zhì)量分析與控制，可再生能源發(fā)電功率變流器可靠性，E-mail：zluowei@cqu.edu.cn

孫鵬菊（1982-），女，博士，副教授，研究方向：數(shù)字控制技術(shù)、變流器拓?fù)渑c控制，E-mail：spengju@cqu.edu.cn。

10.13234/j.issn.2095-2805.2016.6.122

TM46

A

2015-10-15

國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目（51137006）

Project Supported by the State Key Program of National Natural Science of China（51137006）