溫度循環(huán)下IGBT熱阻退化模型的研究*

李志剛，張亞玲，梅　霜

（河北工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，天津 300130）

溫度循環(huán)下IGBT熱阻退化模型的研究*

李志剛，張亞玲，梅霜

（河北工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，天津 300130）

絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)在工作過(guò)程中經(jīng)常要承受過(guò)熱和較大的溫度波動(dòng)，當(dāng)熱損傷達(dá)到一定的程度時(shí)，模塊極有可能出現(xiàn)失效，從而帶來(lái)巨大損失。首先從理論上分析了IGBT的失效機(jī)理，然后利用熱阻測(cè)試平臺(tái)和加速老化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)測(cè)得IGBT熱阻在溫度循環(huán)沖擊下的退化情況，最后根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果建立IGBT熱阻退化數(shù)學(xué)模型，得出熱阻的退化規(guī)律。

IGBT；熱阻；溫度循環(huán)；退化模型

0　引言

高頻化、大功率化和集成化是絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)不斷發(fā)展的方向[1]。功率和集成度的增加使得IGBT所承受的功率密度不斷升高，同時(shí)隨著技術(shù)的不斷發(fā)展IGBT工作的頻率也不斷增大，這些都使器件的發(fā)熱問(wèn)題愈加嚴(yán)重。IGBT各層材料的厚度、熱膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)率、熱阻值和熱容值各不相同，在溫度梯度與熱應(yīng)力的反復(fù)沖擊下，焊料層之間產(chǎn)生的剪切應(yīng)力導(dǎo)致薄弱處將逐漸產(chǎn)生細(xì)微的裂紋。裂紋的不斷增加會(huì)減小硅芯片熱量傳導(dǎo)和焊料層的有效傳熱面積，導(dǎo)致其平均溫度升高，加速空洞的產(chǎn)生和封裝熱阻的增加[2]。風(fēng)電系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中，服役期內(nèi)運(yùn)行周期 To(in operation)和維修周期 Tm(in maintaining)交替出現(xiàn)。如果能在維修周期中對(duì)模塊的特性進(jìn)行檢測(cè)，從而估計(jì)它的健康狀態(tài)以及仍可安全運(yùn)行的時(shí)間，必然產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益，并提高電網(wǎng)的安全運(yùn)行。因此研究IGBT功率模塊在熱應(yīng)力不斷沖擊過(guò)程中熱阻的老化規(guī)律，并以此為依據(jù)對(duì)模塊的健康狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，預(yù)測(cè)模塊的剩余壽命具有十分重要的科學(xué)意義。

1　IGBT熱疲勞形式分析

IGBT器件的熱疲勞現(xiàn)象通常分為兩種形式，一種是功率循環(huán)模式，另一種是溫度循環(huán)模式。功率循環(huán)加速老化方法通電時(shí)間短，冷卻時(shí)間長(zhǎng)，殼溫Tc在一個(gè)溫度沖擊循環(huán)過(guò)程中的變化較小，而IGBT芯片的溫度(Tj)波動(dòng)劇烈，該方法主要用于模擬鍵合線(xiàn)老化失效[3]。溫度循環(huán)加速老化方法一次循環(huán)時(shí)間較長(zhǎng)，較長(zhǎng)的循環(huán)時(shí)間不僅使結(jié)溫波動(dòng)量 ΔTj較大，同時(shí)也使得殼溫 Tc的變化幅值差ΔTc較大，該方法能同時(shí)模擬鋁鍵合線(xiàn)和焊料層的老化失效[4]。

IGBT模塊內(nèi)部材料結(jié)構(gòu)的退化必然導(dǎo)致外部電熱參數(shù)出現(xiàn)一定變化，變化較為明顯的是模塊導(dǎo)通飽和壓降和熱阻。由于飽和壓降測(cè)量較容易，多數(shù)文獻(xiàn)研究飽和壓降的退化規(guī)律[5-7]，本文則利用定制的 IGBT老化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和熱阻測(cè)試系統(tǒng)研究溫度循環(huán)下IGBT熱阻的退化規(guī)律。

2　實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

2.1試驗(yàn)方案

正常工作情況下IGBT模塊的壽命約為10年，在正常工作下研究其退化規(guī)律花費(fèi)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，因此考慮加速老化實(shí)驗(yàn)。如圖1所示為加速老化實(shí)驗(yàn)的電路原理圖，圖中DUT為試驗(yàn)器件；PWR為程控試驗(yàn)電源(5 V，300 A)；VG為 G腳程控電壓(0～15 V)；RG為 G腳串聯(lián)電阻(10 Ω/2 W)；RIS為電流互感器(0～300 A)。

圖1　IGBT老化實(shí)驗(yàn)電路圖

具體實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下：首先對(duì)全新的IGBT器件進(jìn)行測(cè)試，用IGBT熱阻測(cè)試平臺(tái)測(cè)量IGBT器件溫度系數(shù)、飽和壓降及集電極電流，計(jì)算出熱阻。然后對(duì)IGBT模塊進(jìn)行溫度循環(huán)老化實(shí)驗(yàn),殼溫由40℃升溫到90℃，再由90℃降溫至 40℃，此為一個(gè)溫度循環(huán)，每循環(huán)1 000次后，再采用熱阻測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量IGBT器件溫度系數(shù)、飽和壓降及集電極電流，計(jì)算出熱阻。重復(fù)以上步驟，直到模塊老化失效，實(shí)驗(yàn)停止。

2.2熱阻測(cè)試平臺(tái)

2.2.1熱阻測(cè)量的原理

以結(jié)殼熱阻為例，穩(wěn)態(tài)熱阻的定義式為：

式中，Tj為模塊的結(jié)溫，Tc為模塊的殼溫(銅底板溫度)，Ploss為模塊的平均功率損耗。

殼溫可以通過(guò)在器件底部放置溫度傳感器獲得，功率損耗可以通過(guò)測(cè)量導(dǎo)通飽和電壓和集電極電流計(jì)算得到。但結(jié)溫是器件內(nèi)部芯片上的最高結(jié)溫，不易直接測(cè)量，因此采用熱敏參數(shù)法獲得器件的結(jié)溫。小電流下半導(dǎo)體PN結(jié)電壓隨溫度變化具有非常好的線(xiàn)性，用半導(dǎo)體器件結(jié)電壓作為溫敏參數(shù)，測(cè)量其工作條件下的變化，可以達(dá)到測(cè)量溫升及熱阻的目的。采用小電流下的IGBT集電極-發(fā)射極電壓作為熱敏參數(shù)的測(cè)量電路圖如圖2所示。

圖2　VCE作為熱敏參數(shù)獲取模塊熱阻的電路圖

2.2.2試驗(yàn)布驟

試驗(yàn)分兩步進(jìn)行：

(1)將 IGBT模塊置于控溫箱中，同時(shí)將控溫箱溫度設(shè)置為T(mén)1，通入測(cè)量電流IM，測(cè)量此時(shí)的集射極電壓VCE1；再將溫度設(shè)置為溫度值 T2，測(cè)量溫度 T2時(shí)的集射極電壓 VCE2得到模塊的溫度系數(shù)：

(2)將測(cè)試模塊從控溫箱中取出并固定在散熱器上，測(cè)量此時(shí)模塊的殼溫 Tc1，通入測(cè)量電流IM來(lái)測(cè)試此時(shí)模塊的集射極電壓 VCE3。接著，對(duì)測(cè)試模塊通以加熱大電流IC，當(dāng)模塊達(dá)到熱平衡后測(cè)定此時(shí)的殼溫 TC2以及集射極電壓VCE4。最后，斷開(kāi)開(kāi)關(guān) K，切斷加熱大電流并閉合K1通以小測(cè)試電流IM，在極短時(shí)間內(nèi)測(cè)量此時(shí)的集射極電壓VCE5。通過(guò)上述相關(guān)測(cè)量可以獲取通以加熱大電流后達(dá)到平衡時(shí)模塊溫度Tj的公式：

則其穩(wěn)態(tài)熱阻的計(jì)算公式為：

2.3加速老化試驗(yàn)平臺(tái)

加速老化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用上位機(jī)控制方式。系統(tǒng)配置十個(gè)相對(duì)獨(dú)立的老化實(shí)驗(yàn)區(qū)，每個(gè)老化實(shí)驗(yàn)區(qū)由加熱電路(提供 0～300 A直流電流)、驅(qū)動(dòng)電路(提供 0～20 V的驅(qū)動(dòng)電壓)和冷卻系統(tǒng)(風(fēng)機(jī)和散熱器)組成(如圖3所示)。其中①安裝平臺(tái):用于試驗(yàn)器件的固定與散熱(中間帶有溫度探頭);②風(fēng)機(jī)：用于試驗(yàn)器件(包含散熱器)的輔助風(fēng)冷散熱;③④：電源功率輸出的正端和負(fù)端(提供加熱電流)；⑤⑥：驅(qū)動(dòng)電源的正負(fù)極(為 IGBT提供驅(qū)動(dòng)電壓)。上位機(jī)可以實(shí)時(shí)顯示每個(gè)實(shí)驗(yàn)區(qū)域的狀態(tài)、循環(huán)次數(shù)、采樣數(shù)、運(yùn)行時(shí)間、每個(gè)循環(huán)的導(dǎo)通時(shí)間和斷開(kāi)時(shí)間、Vcesat、導(dǎo)通電流、殼溫等。

圖3　試驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1多項(xiàng)式模型理論分析

3.1.1多項(xiàng)式模型擬合次數(shù)選擇

多項(xiàng)式擬合次數(shù)越高對(duì)已有點(diǎn)的描述越貼切，但如果擬合次數(shù)過(guò)高的話(huà)又會(huì)削弱數(shù)據(jù)的趨勢(shì)性，因此需要選定最佳的擬合次數(shù)。

設(shè)有 n個(gè)成對(duì)的點(diǎn) x，y=(x1，y1)、(x2，y2)、(x3，y3)…(xn，yn)

對(duì)這n個(gè)點(diǎn)進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，下標(biāo)代表擬合多項(xiàng)式次數(shù)

3.1.2多項(xiàng)式模型回歸分析

模型建立后需要對(duì)模型進(jìn)行可信度檢驗(yàn)，本文用方差分析檢驗(yàn)多元回歸模型的統(tǒng)計(jì)可信度。方差分析將因變量的變異分解成組內(nèi)部分和組間部分，然后比較組間部分和組內(nèi)部分的相對(duì)大小，據(jù)此來(lái)判斷基于樣本數(shù)據(jù)得到的回歸模型是否真實(shí)反映總體的變化規(guī)律。具體公式如下：

其中：SST為殘差平方和，SST為總平方和，SSR為回歸平方和，R2為判定系數(shù)

R2(0～1)反映趨勢(shì)線(xiàn)的估計(jì)值與對(duì)應(yīng)的實(shí)際數(shù)據(jù)之間的擬合程度，越接近1則說(shuō)明趨勢(shì)線(xiàn)的可靠程度就越高。

3.2實(shí)例分析

實(shí)驗(yàn)中，首先將全新的IGBT模塊放在調(diào)溫調(diào)濕箱中做小電流測(cè)試實(shí)驗(yàn)，測(cè)量IM分別為10 mA、30 mA、50 mA、100 mA時(shí)，IGBT模塊在不同結(jié)溫下的飽和壓降U(sat)ce。結(jié)溫由恒溫箱控制，使恒溫箱在某一溫度下保持足夠長(zhǎng)的時(shí)間，此時(shí)IGBT結(jié)溫等于環(huán)境溫度，且測(cè)試電流足夠小，模塊在測(cè)量過(guò)程中不自熱，認(rèn)為結(jié)溫始終等于恒溫箱設(shè)定溫度。使恒溫箱的溫度從-20℃～100℃變化，每隔10℃測(cè)量一次。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，可以看出IGBT飽和壓降隨結(jié)溫基本成線(xiàn)性關(guān)系，其中測(cè)試電流為100 mA時(shí)線(xiàn)性度最好，因此選擇100 mA作為測(cè)量溫度系數(shù)的測(cè)試電流。

圖4　小電流下實(shí)驗(yàn)波形

對(duì)100 mA下的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行線(xiàn)性擬合，擬合結(jié)果如圖5所示，得到溫度系數(shù) α=2.130 8，通過(guò)式(4)可以得到IGBT的初始熱阻為0.15℃/W。將IGBT模塊放入老化設(shè)備中，每經(jīng)過(guò)1 000次溫度循環(huán)，測(cè)量模塊在100 mA下的溫度系數(shù)，并計(jì)算得到的熱阻，直到器件失效為止。圖6為溫度循環(huán)下IGBT熱阻及其偏移量的波形。

圖5　測(cè)試電流為100 mA時(shí)的線(xiàn)性擬合結(jié)果

圖6　熱阻及熱阻增量隨循環(huán)次數(shù)的變化圖

由圖可知，隨著熱應(yīng)力的不斷沖擊，IGBT的性能發(fā)生了一定程度的退化，熱阻隨著溫度循環(huán)次數(shù)的增多不斷增大。

通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)熱阻增量符合多項(xiàng)式模型，對(duì)熱阻增量進(jìn)行不同次數(shù)的多項(xiàng)式擬合，并用上述擬合次數(shù)選擇標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行判斷，發(fā)現(xiàn)熱阻退化量最佳擬合模型為四次多項(xiàng)式模型（擬合曲線(xiàn)如圖7所示）。

圖7　熱阻增量的多項(xiàng)式擬合曲線(xiàn)

式中：x為溫度循環(huán)次數(shù)，Rthp為熱阻退化量。

對(duì)擬合模型進(jìn)行方差分析，得到擬合系數(shù)R2=0.995 7，非常接近1，說(shuō)明擬合程度很好，IGBT熱阻在溫度循環(huán)下的退化模型符合四次多項(xiàng)式模型。

4　結(jié)論

隨著溫度沖擊的不斷增加，模塊焊料層出現(xiàn)疲勞損傷，外部特征表現(xiàn)為器件熱阻不斷增大。對(duì)測(cè)得IGBT熱阻的退化數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)退化數(shù)據(jù)符合多項(xiàng)式模型。在給定最佳模型判定條件下，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行曲線(xiàn)擬合發(fā)現(xiàn)本次實(shí)驗(yàn)IGBT熱阻退化規(guī)律最佳擬合模型為四次為多項(xiàng)式模型。

[1]王兆安，黃俊.電力電子技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[2]AMRO R，LUTZ J.Power cycling with high tcmpcrature swing of discrete components based on different technologies[C]. IEEE PESC.Piscataway，USA：IEEE，2004：2593-2598.

[3]HAMIDI A，BECK N，THOMAS K，et al.Reliability and lifetime evaluation of different wire bonding technologies for high power IGBT modules[J].Microelectronics Reliability，1999，39：1153-1158.

[4]BERG H，WOLFGANG E.Advanced IGBT modules for railway traction applications:reliability testing[J].Microelectronic Reliability，1998，38：1319-1323.

[5]杜熠，李璠，曾照洋，等.IGBT性能退化模型構(gòu)建方法研究[J].電力電子技術(shù)，2013，47（1）：104-106.

[6]楊旭.基于飽和壓降測(cè)量的IGBT功率模塊狀態(tài)評(píng)估方法研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2012.

[7]陳明，胡安，劉賓禮.絕緣柵雙極型晶體管失效機(jī)理與壽命預(yù)測(cè)模型[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，45(10)：65-71.

Research on IGBT thermal resistance degenetate model under temperature recycle

Li Zhigang，Zhang Yaling，Mei Shuang
(School of Electrical Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin 300130，China)

Insulated gate bipolar transistor(IGBT)often works in overheating and large temperature fluctuating conditions.When the heating damage accumulates to a certain degree,the failure of IGBT module is most likely occur,which lead to huge losses.Firstly theoretical analysis about failure mechanism of IGBT is done,and then use thermal resistance testing platform and accelerated aging test platform measure IGBT thermal resistance depredate data under the impact of temperature recycle.Finally,IGBT thermal resistance depredate mathematical model is established based on experimental results,with it the degenerate law of IGBT thermal resistance is obtained.

IGBT；thermal resistance；temperature recycle；degenerate model

TN32

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.02.006

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51377044);河北省科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(13214303D；4214503D)

2015-07-10)

李志剛（1958-），男，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向：電子電器、電工產(chǎn)品可靠性。

張亞玲（1988－），通信作者，女，研究生，主要研究方向：電工產(chǎn)品可靠性，E-mail：yaling_zhang616@163.com。

中文引用格式：李志剛，張亞玲，梅霜.溫度循環(huán)下IGBT熱阻退化模型的研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42(2)：25-27，31.

英文引用格式：Li Zhigang，Zhang Yaling，Mei Shuang.Research on IGBT thermal resistance degenetate model under temperature recycle[J].Application of Electronic Technique，2016，42(2)：25-27，31.