基于IGBT模塊熱阻的狀態(tài)評(píng)估研究

姚芳　王少杰　李志剛　陳盛華

摘 要： IGBT模塊在退化過(guò)程中內(nèi)部材料的物理屬性會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而引起模塊結(jié)殼熱阻的變化，因此通過(guò)研究結(jié)殼熱阻的變化情況，可以對(duì)IGBT模塊的退化程度進(jìn)行評(píng)估。首先研究IGBT模塊的結(jié)構(gòu)及熱擴(kuò)散特性，并利用定義法計(jì)算出初始結(jié)殼熱阻，指出模塊在退化過(guò)程中各層封裝材料、物理參數(shù)及導(dǎo)熱面積的變化會(huì)導(dǎo)致結(jié)殼熱阻的變化；然后，對(duì)IGBT模塊進(jìn)行了溫度循環(huán)老化試驗(yàn)，并在老化過(guò)程中測(cè)量模塊的結(jié)殼熱阻，研究結(jié)殼熱阻在老化過(guò)程中的變化情況，發(fā)現(xiàn)其按指數(shù)規(guī)律退化，進(jìn)而建立熱阻的指數(shù)退化模型；最后，提出一種IGBT模塊的模糊狀態(tài)評(píng)估方法，建立了基于熱阻的模糊狀態(tài)評(píng)估模型，采用均勻劃分的方法以IGBT模塊的結(jié)殼熱阻作為評(píng)估參數(shù)將模塊的退化狀態(tài)分為7個(gè)評(píng)估等級(jí)，并對(duì)老化后的某IGBT模塊進(jìn)行了模糊狀態(tài)評(píng)估。

關(guān)鍵詞： 熱阻狀態(tài)評(píng)估； 模糊理論； 模糊狀態(tài)評(píng)估方法； IGBT模塊

中圖分類(lèi)號(hào)： TN305.94?34； TN32 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）10?0133?05

Abstract： The physical property of the IGBT module′s internal material may change in its degradation process， and lead to the variation of the junction?to?case thermal resistance of the module. The study on variation of the junction?to?case thermal resistance can evaluate the degradation process of IGBT module. The structure and thermal diffusion characteristics of IGBT module are studied. The definition method is used to calculate the initial junction?to?case thermal resistance. It is pointed out that the variation of the each layer′s encapsulating material physical parameters and heat conduction area in degradation process may cause the change of the module′s junction?to?case thermal resistance. The temperature cycle and aging test were conducted for IGBT module. The junction?to?case thermal resistance of the module is detected in the aging process. The variation situation of the junction?to?case thermal resistance is studied in the aging process to find out its degradation according to index law， so as to establish the index degradation model of the thermal resistance. A fuzzy state assessment method of IGBT module is proposed to establish the fuzzy state assessment module based on thermal resistance. The uniform division method is adopted to divide the module′s degradation state into seven assessment grades by means of taking the junction?to?case thermal resistance of IGBT module as the assessment parameter， and performs the fuzzy state assessment for the aged certain IGBT.

Keywords： thermal resistance state assessment； fuzzy theory； fuzzy state assessment method； IGBT bmodule

0 引 言

IGBT自20世紀(jì)80年代誕生以來(lái)不斷發(fā)展，逐步成為新型高頻大功率電力半導(dǎo)體器件的代表性器件，以其獨(dú)特、不可取代的功能，迅速應(yīng)用到了國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的各行各業(yè)，表現(xiàn)出極強(qiáng)的生命力和發(fā)展?jié)摿1]。但開(kāi)關(guān)速度高和電流密度大使其生熱功率增大、發(fā)熱量提高，在工作過(guò)程中易由于溫度的循環(huán)沖擊而發(fā)生疲勞失效。根據(jù)2009年的一項(xiàng)調(diào)查研究顯示，風(fēng)電變流器是電力系統(tǒng)在惡劣環(huán)境下運(yùn)行時(shí)失效率最高的環(huán)節(jié)之一[2]，而IGBT是變流器中失效率最高的環(huán)節(jié)；因此，提高IGBT的可靠性可以提高電力系統(tǒng)的可靠性。目前，一般會(huì)在系統(tǒng)停運(yùn)期間對(duì)變流系統(tǒng)進(jìn)行定期或不定期的檢測(cè)和維修，以及在系統(tǒng)運(yùn)行期間對(duì)關(guān)鍵電氣參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，但是，并不能對(duì)部件的健康狀況進(jìn)行評(píng)估，也不能診斷器件性能[3]。如果能在常規(guī)檢修期內(nèi)對(duì)器件的狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，及時(shí)更換狀態(tài)不好的器件，則可以大大提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和可靠性，因此研究IGBT的狀態(tài)評(píng)估具有十分重要的科學(xué)意義。

本文通過(guò)研究IGBT模塊的熱量傳遞情況及結(jié)殼熱阻的計(jì)算方法，發(fā)現(xiàn)在模塊退化過(guò)程中，各層封裝材料的屬性參數(shù)會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而引起結(jié)殼熱阻的變化，因此結(jié)殼熱阻的變化可以反映IGBT模塊的退化情況。本文對(duì)某型IGBT模塊進(jìn)行了溫度循環(huán)老化實(shí)驗(yàn)，在老化的過(guò)程中采集結(jié)殼熱阻，通過(guò)研究熱阻在退化過(guò)程中的變化建立了熱阻退化模型，并建立了基于熱阻的模糊狀態(tài)評(píng)估模型。該模型可以根據(jù)結(jié)殼熱阻對(duì)IGBT模塊的健康狀態(tài)進(jìn)行模糊狀態(tài)評(píng)估，工程上對(duì)健康狀態(tài)不好的器件及時(shí)更換，提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

1 IGBT模塊的結(jié)殼熱阻

1.1 IGBT模塊的結(jié)構(gòu)及熱擴(kuò)散特性分析

IGBT模塊采用封裝結(jié)構(gòu)，模塊內(nèi)部由IGBT芯片和FWD芯片組成功率電路、襯底層（上銅層、陶瓷層、下銅層和焊料層疊加而成）和銅基板組成。

熱傳導(dǎo)過(guò)程中，若下一層材料的熱導(dǎo)率k2大于該層材料熱導(dǎo)率k1，則熱流僅在該層材料的垂直方向流動(dòng)，不發(fā)生橫向擴(kuò)散；若下一層材料的熱導(dǎo)率k2小于該層材料的熱導(dǎo)率k1，則熱流在該層會(huì)有橫向擴(kuò)散，擴(kuò)散角度θ的大小為：

根據(jù)熱傳導(dǎo)理論，熱量應(yīng)在上銅層、下銅層、銅基板中有明顯的橫向擴(kuò)散，而在芯片、陶瓷層、以及上、下焊料層中沿垂直方向傳播。三維溫度場(chǎng)在垂直方向剖面的溫度場(chǎng)如圖1所示。

模塊芯片上方殼體內(nèi)灌有絕熱硅凝膠，有阻斷熱傳導(dǎo)作用。因此，IGBT模塊內(nèi)的熱量主要是由上至下在各層材料之間，以熱傳導(dǎo)的形式自芯片逐層傳遞至銅基板。對(duì)IGBT模塊在恒功率條件下進(jìn)行有限元仿真，得到熱穩(wěn)態(tài)時(shí)芯片表面和銅底板的二維溫度分布場(chǎng)，如圖2所示。A，B分別為芯片和銅底板的最高溫度點(diǎn)，二者的三維坐標(biāo)分別為（0.078 299，0.038 496，0.003）和（0.078 299，0.038 496，0.004 4），說(shuō)明熱流自芯片向銅底板沿垂直材料層面方向（圖1箭頭所指方向）傳導(dǎo)；并且圖2中的熱量擴(kuò)散均以IGBT芯片為圓心成圓形，說(shuō)明熱量在平行于材料層的方向上成圓形向四周傳導(dǎo)。

1.2 IGBT模塊的結(jié)殼熱阻

模塊芯片及封裝各層材料的阻熱屬性由熱阻描述，熱阻取決于材料層的熱導(dǎo)率及有效導(dǎo)熱尺寸，定義為：

式中：L為導(dǎo)熱體厚度；λ為導(dǎo)熱體的熱導(dǎo)率；A為導(dǎo)熱體垂直于熱流方向的橫截面。

模塊芯片及各層材料的熱導(dǎo)率λ、厚度L可通過(guò)查閱數(shù)據(jù)手冊(cè)得知，由式（1）～式（3）可計(jì)算得到有效導(dǎo)熱面積A，通過(guò)式（4）可計(jì)算得到各層材料的熱阻，如表1所示。

IGBT模塊的結(jié)殼熱阻Rth反映了IGBT模塊封裝的散熱能力的大小，指IGBT芯片到銅基板間各層材料的熱阻之和[4?5]，計(jì)算得到模塊的總熱阻Rth=0.167 7 ℃/W。

由于模塊同時(shí)具有阻熱和儲(chǔ)熱性質(zhì)，實(shí)驗(yàn)室條件下一般給定功率P，加熱模塊至熱平衡，此時(shí)模塊不再儲(chǔ)熱，耗散功率等于加熱電功率，結(jié)殼熱阻可用殼溫差Tjc比功率P計(jì)算[6?7]。

IGBT模塊在退化過(guò)程中，其封裝材料的各個(gè)物理參數(shù)及導(dǎo)熱面積等都會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而引起結(jié)殼熱阻的改變，因此結(jié)殼熱阻可以反映IGBT模塊的退化情況。

2 IGBT模塊結(jié)殼熱阻退化研究

工況下，IGBT模塊受到溫度循環(huán)沖擊的作用，導(dǎo)致各層材料熱導(dǎo)率λ改變、有效導(dǎo)熱面積甚至厚度發(fā)生微小變化，三者共同作用，導(dǎo)致材料層熱阻的增加，致使導(dǎo)熱性能降低。由于模塊多層結(jié)構(gòu)中的焊料層彈性模量較低，易于產(chǎn)生空洞或裂紋，大部分損傷發(fā)生在上、下焊料層，因此對(duì)模塊熱特性影響較為關(guān)鍵的是上、下焊料層的性能[8?10]。焊料層的退化使模塊總的結(jié)殼熱阻增大，引起模塊總體導(dǎo)熱特性的減弱。模塊導(dǎo)熱特性減弱，會(huì)減小模塊安全工作區(qū)的面積，降低其工作安全性[11?12]。

為了研究IGBT模塊結(jié)殼熱阻與退化程度的關(guān)系，對(duì)額定1 500 V/75 A的IGBT模塊進(jìn)行溫度循環(huán)老化。設(shè)置集電極電流為50 A，柵極電壓為15 V，控制殼溫從40 ℃加熱至90 ℃，再自然冷卻到40 ℃，重復(fù)循環(huán)過(guò)程。在老化實(shí)驗(yàn)循環(huán)次數(shù)為0，1 000，2 000，3 000，4 000，5 000，6 000，7 000時(shí)用熱敏參數(shù)法測(cè)量IGBT模塊的穩(wěn)態(tài)結(jié)殼熱阻，熱阻變化規(guī)律如圖3所示。

由圖3可知，隨著老化的不斷進(jìn)行，模塊結(jié)殼熱阻從最初的0.167 3 ℃/W增加至0.197 4 ℃/W，且熱阻的大小隨循環(huán)次數(shù)的增加單調(diào)遞增，沒(méi)有往復(fù)波動(dòng)，即熱阻的增加可以反映模塊的退化程度。因此，可以用模塊的結(jié)殼熱阻作為評(píng)估參數(shù)，對(duì)模塊的退化程度進(jìn)行估測(cè)。

將圖3所示的熱阻隨循環(huán)次數(shù)變化的曲線(xiàn)進(jìn)行擬合，得到的擬合方程式為：

當(dāng)認(rèn)為模塊結(jié)殼熱阻Rth上升到初始值的120%時(shí)失效，即當(dāng)Tr=1.2時(shí)，由式（7）可推出在本文所列出的實(shí)驗(yàn)條件下IGBT模塊的總壽命Nf=ln 1.2，[1Nf]為每次溫度循環(huán)所消耗的壽命值。

3 基于熱阻的狀態(tài)評(píng)估

3.1 模糊狀態(tài)評(píng)估建模

IGBT模塊在整個(gè)壽命周期內(nèi)是不斷退化的，表現(xiàn)為結(jié)殼熱阻Rth的不斷增加，根據(jù)模塊的退化狀態(tài)，與退化后的性能，規(guī)定熱阻上升20%判定模塊失效，基于熱阻的模塊退化狀態(tài)研究，旨在研究模塊尚未失效階段熱阻的變化趨勢(shì)，即結(jié)殼熱阻Rth從Rth?min向120%Rth?min增加的規(guī)律。根據(jù)模糊評(píng)估理論，首先要對(duì)熱阻Rth進(jìn)行去量綱和歸一化變換。

IGBT模塊的結(jié)殼熱阻以指數(shù)形式退化，因此，需將結(jié)殼熱阻Rth取對(duì)數(shù)后采用均勻分布模型，建立模糊狀態(tài)評(píng)估模型：

[H（Rth）=lnRth-lnRth-minln120%Rth-min-lnRth-min，Rth>120%Rth-min0， Rth≤120%Rth-min] （8）

式中：H（Rth）為模塊的退化特征量；Rth?min為模塊的最小結(jié)殼熱阻，也就是模塊未退化時(shí)的熱阻；120%Rth?min為模塊判定失效時(shí)的熱阻，也就是模塊完全退化時(shí)的熱阻。

3.2 模糊狀態(tài)評(píng)估方法

根據(jù)模塊退化過(guò)程中結(jié)殼熱阻的大小，通過(guò)模糊狀態(tài)評(píng)估模型對(duì)模塊退化程度進(jìn)行評(píng)估的方法是：由式（8）計(jì)算模塊的退化特征量，當(dāng)H（Rth）=0時(shí)，表示模塊沒(méi)有退化；當(dāng)H（Rth）=1時(shí)，認(rèn)為模塊失效；當(dāng)H（Rth）介于0～1之間時(shí)，H（Rth）的大小反映模塊的退化程度，H（Rth）越大表示退化越嚴(yán)重。通過(guò)退化特征量，可以在一定范圍內(nèi)定量地描述模塊的退化程度。

為了清晰地表述模塊的退化程度，將模塊從未退化到完全退化均勻分為7個(gè)退化等級(jí)區(qū)間。這7個(gè)區(qū)間可依次描述為未退化、較輕微退化、輕微退化、中度退化、較嚴(yán)重退化、嚴(yán)重退化和完全退化。將H（Rth）從0～1平均劃分為5個(gè)區(qū)間，每個(gè)區(qū)間的跨度均為0.2。根據(jù)式（8）可以推算出每個(gè)區(qū)間臨界點(diǎn)的結(jié)殼熱阻值。退化等級(jí)示意圖如圖4所示。7個(gè)退化等級(jí)區(qū)間劃分的臨界熱阻值如表2所示。

根據(jù)表2可以通過(guò)模塊的結(jié)殼熱阻直接估測(cè)出模塊的退化程度。當(dāng)IGBT模塊的結(jié)殼熱阻Rth滿(mǎn)足：Rth=0.167 ℃/W時(shí)，模塊未退化；0.167 ℃/W0.200 ℃/W時(shí)，模塊完全退化，認(rèn)為其已失效。

3.3 基于熱阻的狀態(tài)評(píng)估實(shí)例

根據(jù)以模塊結(jié)殼熱阻作為評(píng)估參數(shù)的7等級(jí)退化評(píng)估模型，對(duì)溫度循環(huán)老化實(shí)驗(yàn)進(jìn)行0，1 000，2 000，3 000，4 000，5 000，6 000，7 000次后的模塊進(jìn)行退化等級(jí)評(píng)估，根據(jù)式（8）計(jì)算出其退化特征量，通過(guò)退化特征量對(duì)模塊的退化程度進(jìn)行評(píng)估，評(píng)估結(jié)果如表3所示。

將不同循環(huán)次數(shù)下的退化特征量進(jìn)行擬合，并照退化特征量劃分退化等級(jí)，如圖5所示。

在實(shí)際的老化過(guò)程中，可以根據(jù)溫度循環(huán)次數(shù)x，由式（9）計(jì)算出模塊的退化特征量，進(jìn)而估測(cè)模塊的退化程度。

4 結(jié) 論

本文首先分析了IGBT模塊的結(jié)構(gòu)及熱量在模塊中的擴(kuò)散特性，并計(jì)算出初始的結(jié)殼熱阻值；然后，對(duì)IGBT模塊在集電極電流50 A，殼溫40～90 ℃的條件下進(jìn)行溫度循環(huán)老化實(shí)驗(yàn)，得到了結(jié)殼熱阻隨溫度循環(huán)次數(shù)的變化曲線(xiàn)，發(fā)現(xiàn)其按指數(shù)規(guī)律退化，建立了結(jié)殼熱阻的指數(shù)退化模型，并計(jì)算了在本文的循環(huán)條件下IGBT模塊的總壽命以及每一次溫度循環(huán)所消耗的壽命；最后，建立了基于結(jié)殼熱阻的模糊狀態(tài)評(píng)估模型，采取均勻劃分的方法，將退化特征量劃分為7個(gè)退化等級(jí)，并對(duì)溫度循環(huán)老化后的IGBT模塊進(jìn)行了模糊狀態(tài)評(píng)估。在加大實(shí)驗(yàn)量的前提下，可以建立普適性的狀態(tài)評(píng)估模型，則本文所介紹的評(píng)估方法可以在獲取結(jié)殼熱阻后快速地對(duì)IGBT模塊進(jìn)行狀態(tài)評(píng)估，對(duì)提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全性有指導(dǎo)性的意義。

注：本文通訊作者為王少杰。

參考文獻(xiàn)

[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，2000：29?32.

[2] YANG S， BRYANT A T， MAWBY P A， et al. An industry?based survey of reliability in power electronic converters [J]. IEEE transaction on industry applications， 2011， 47（3）： 1441?1451.

[3] SIKORSKA J Z， HODKIEWICZ M， MA L. Prognostic modeling options for remaining useful life estimation by industry [J]. Mechanical systems and signal processing， 2011， 25（5）： 378?382.

[4] 魏克新，杜明星.基于集總參數(shù)法的IGBT模塊溫度預(yù)測(cè)模型[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2011，26（12）：79?84.

[5] 徐盛友.功率模塊IGBT狀態(tài)監(jiān)測(cè)及可靠性評(píng)估方法研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2013.

[6] 陳明，胡安，唐勇，等.IGBT結(jié)溫及溫度場(chǎng)分布探測(cè)研究[J].電力電子技術(shù)，2011，45（7）：130?132.

[7] 陳明，汪波，唐勇.IGBT動(dòng)態(tài)熱阻抗曲線(xiàn)提取實(shí)驗(yàn)研究[J].電力電子技術(shù)，2010，44（9）：101?103.

[8] 翟超，郭清，盛況.IGBT模塊封裝熱應(yīng)力研究[J].機(jī)電工程，2013，30（9）：1153?1158.

[9] 陳明.高溫功率循環(huán)下絕緣柵雙極性晶體管失效特征及機(jī)理分析[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，48（4）：119?126.

[10] LU H， BAILEY C. Lifetime prediction of an IGBT power electronics module under cyclic temperature loading conditions [C]// Proceedings of 2009 IEEE International Conference on Electronic Packaging Technology and High Density Packaging. Piscataway， USA： IEEE， 2009： 274?279.

[11] 張健，張小玲，呂長(zhǎng)志，等.IGBT焊料層中的空洞對(duì)器件熱可靠性的影響[J].固體電子學(xué)研究與進(jìn)展，2011，31（5）：517?521.

[12] GHODKE N， KUMBHAKARNA D， NAKANEKAR S， et al. Fatigue life prediction for solder interconnects in IGBT modules by using the successive initiation method [C]// Proceedings of 2014 IEEE Intersociety Conference on Thermal and Thermomechanical Phenomena in Electronic Systems. [S.l.]： IEEE， 2014： 598?604.