基于模塊導(dǎo)通電阻的碳化硅MOSFET鍵合線健康狀態(tài)評(píng)估方法

孫海峰， 張紅玉， 蔡 江

(華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 保定 071003)

0 引 言

SiC MOSFET是第三代半導(dǎo)體功率器件的代表，與傳統(tǒng)的硅器件相比，它具有更高的阻斷電壓，更低的導(dǎo)通電阻，更高的開關(guān)速度和更好的傳導(dǎo)性[1-9]。碳化硅電力電子器件在新能源發(fā)電、電動(dòng)汽車、柔性輸電等領(lǐng)域具有越來(lái)越重要的地位并擁有廣闊的前景[10-15]。SiC MOSFET模塊是功率變換器的核心器件，隨著器件的老化，會(huì)發(fā)生不可預(yù)見的故障，引起經(jīng)濟(jì)損失[16-19]。因此，對(duì)SiC MOSFET的在線監(jiān)測(cè)可以提前發(fā)現(xiàn)故障，為提前解決故障提供數(shù)據(jù)，提高可靠性，減少故障時(shí)間。文獻(xiàn)[20]～[22]指出，鍵合線的斷裂是一種故障率很高的封裝級(jí)失效。一旦鍵合線發(fā)生脫落，其它鍵合線承受的電流增大，會(huì)使其它鍵合線的加速脫落。

文獻(xiàn)[21]提出一種在任何溫度下準(zhǔn)確辨識(shí)出鍵合線老化的方法，但該方法只能在停機(jī)狀態(tài)下進(jìn)行準(zhǔn)在線檢測(cè)且操作復(fù)雜。文獻(xiàn)[23] 研究了IGBT鍵合線等效電阻與鍵合線斷裂數(shù)的關(guān)系，但不適用于SiC MOSFET。文獻(xiàn)[24]通過(guò)監(jiān)測(cè)IGBT模塊內(nèi)部單個(gè)芯片等效鍵合線壓降的變化，辨識(shí)出 IGBT 模塊內(nèi)鍵合線的老化狀態(tài)，進(jìn)而判斷出 IGBT 模塊的健康水平。但此方法需要拆機(jī)檢測(cè)，在實(shí)際應(yīng)用較難實(shí)現(xiàn)。目前還沒(méi)有針對(duì)SiC MOSFET模塊鍵合線健康狀態(tài)的檢測(cè)方法。

因此，鑒于以上問(wèn)題，本文基于SiC MOSFET模塊的特點(diǎn)。通過(guò)監(jiān)測(cè)模塊的導(dǎo)通壓降和導(dǎo)通電流，計(jì)算出導(dǎo)通電阻，并對(duì)溫度與導(dǎo)通電流進(jìn)行歸一化處理，得出歸算后的導(dǎo)通電阻，和臨界值電阻進(jìn)行比較，從而確定鍵合線健康程度。該方法可以在不拆機(jī)、無(wú)需移動(dòng)、不需停機(jī)狀態(tài)下進(jìn)行檢測(cè)，易于實(shí)現(xiàn)，對(duì)碳化硅MOSFET模塊具有普適性。

1 SiC MOSFET的仿真模擬分析

導(dǎo)通電阻Ron主要由溝道電阻RCH、漂移層電阻RDR、JFET區(qū)電阻RJFET、鍵合線總電阻RBW、源極內(nèi)阻RS、漏極內(nèi)阻RD1構(gòu)成。研究[6]表明，碳化硅MOSFET的漂移層電阻RDR具有正溫度系數(shù)，JFET區(qū)電阻RJFET具有正溫度系數(shù)，源極漏極內(nèi)阻和鍵合線電阻都具有正溫度系數(shù)，溝道電阻RCH具有負(fù)溫度系數(shù)，且當(dāng)柵極電壓不斷增加，RCH對(duì)Ron的影響會(huì)不斷地減小。因此，SiC MOSFET具有正溫度系數(shù)。

采用WOLFSPEED公司所提供SiC MOSFET的 LTspice模型，模型包含了關(guān)于溫度的擬合。通過(guò)開通和關(guān)斷的波形，來(lái)觀察導(dǎo)通電阻隨溫度和鍵合線健康程度的變化，并模擬鍵合線的數(shù)量來(lái)表征鍵合線健康的程度。等效電路如圖1所示。

圖1 SiC MOSFET等效電路Fig.1 Equivalent circuit of SiC MOSFET module

其中，LG1為柵極內(nèi)電感,RG1柵極內(nèi)阻，RBW為鍵合線電阻，LBW為鍵合線電感，LS為源極內(nèi)電感，LD1為漏極內(nèi)電感，CGD為柵漏雜散電容，CGS為柵源雜散電容，CGD為漏源雜散電容，LG2為驅(qū)動(dòng)電感，RG2為驅(qū)動(dòng)電阻，LD2為負(fù)載電感，RD2為負(fù)載電阻。

2 鍵合線狀態(tài)監(jiān)測(cè)原理

2.1 鍵合線失效機(jī)理

本文實(shí)驗(yàn)所用的SiC MOSFET模塊如圖2所示。圖2為SiC MOSFET模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，圖3為其單橋臂原理圖。SiC MOSFET模塊的型號(hào)為CAS120M12BM2。不同于Si IGBT，由于SiC MOSFET為第三代半導(dǎo)體器件，其具有極小的導(dǎo)通電阻，SiC MOSFET模塊導(dǎo)通電阻約10～26 mΩ[25]，而單根鍵合線的阻值大約為3～10 mΩ。因此，鍵合線的電阻是模塊導(dǎo)通電阻的重要組成部分。

從圖2可以看出，一個(gè)SiC MOSFET橋臂由6個(gè)SiC MOSFET芯片并聯(lián)構(gòu)成，每個(gè)SiC MOSFET芯片反向并聯(lián)2個(gè)碳化硅二極管。從二極管上通過(guò)4根鍵合線引到SiC MOSFET模塊源極端子。

圖2 SiC MOSFET內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Internal structure of SiC MOSFET

鍵合線主要用于SiC MOSFET芯片和碳化硅二極管的連接、芯片與端子的連接如圖3所示。

圖3 SiC MOSFET內(nèi)部原理圖Fig.3 Internal schematic diagram of SiC MOSFET

鍵合線脫落主要是由于當(dāng)模塊受熱，模塊的溫度改變，鍵合線、焊料層和銅板間熱膨脹系數(shù)不同導(dǎo)致的形變不同，從而產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力。長(zhǎng)久的機(jī)械應(yīng)力使鍵合線脫落或者折斷而產(chǎn)生不同程度的受損。有研究表明，鍵合線的脫落是模塊失效的重要原因。當(dāng)部分鍵合線脫落時(shí)，剩余鍵合線所承受的電流加大，雖然模塊仍可以正常工作，但是會(huì)造成更大的不穩(wěn)定性，加快其它健康鍵合線斷裂的速度。

2.2 鍵合線脫落和模塊導(dǎo)通電阻的關(guān)系

本文研究SiC MOSFET模塊的鍵合線封裝級(jí)失效，是一個(gè)漸變的過(guò)程。當(dāng)不考慮SiC MOSFET芯片老化的影響時(shí)，SiC MOSFET芯片的導(dǎo)通電阻不會(huì)隨鍵合線的斷裂而改變。但對(duì)于模塊來(lái)說(shuō)，源極端子包含了鍵合線在內(nèi)，所以對(duì)于整個(gè)SiC MOSFET模塊而言，其導(dǎo)通電阻會(huì)因鍵合線的斷裂而發(fā)生改變。如圖1所示，當(dāng)器件導(dǎo)通時(shí)模塊的導(dǎo)通電阻

RM(on)=RD1+RBW+RS+RC(on)

(1)

式中：RM(on)為SiC MOSFET模塊的導(dǎo)通電阻；RC(on)為SiC MOSFET芯片的導(dǎo)通電阻；RBW為鍵合線總電阻。

則鍵合線健康時(shí)，模塊導(dǎo)通電阻

(2)

脫落n根后，模塊導(dǎo)通電阻

(3)

用式(3)減去式(2)為導(dǎo)通電阻的變化

(4)

故ΔRBW的變化就反應(yīng)到導(dǎo)通電阻變化值ΔRM(on)上來(lái)。從而估算鍵合線的健康程度。

對(duì)于模塊的導(dǎo)通電阻，文獻(xiàn)[6]指出，影響導(dǎo)通電阻的主要是由溫度和柵極電壓。但是以研究鍵合線為目的時(shí)，模塊的導(dǎo)通電阻受溫度、柵極電壓、漏極電流和鍵合線的總電阻影響。

RM(on)=f(Tj,VGS,Id,RBW)

(5)

式中：Tj為芯片的結(jié)溫；VGS為柵源電壓；Id漏極電流。

由圖4所示，將Tj與RDS(on)二次擬合后，結(jié)果如式(6)所示，其二次擬合度為0.995，說(shuō)明了結(jié)溫與導(dǎo)通電阻成良好的二次關(guān)系。

Ron=3.470 67×10-4Tj2-0.023 11Tj+13.133 14

(6)

在工業(yè)運(yùn)行當(dāng)中，為了降低其損耗，柵源電壓VGS固定在推薦值，即開通狀態(tài)的柵極電壓為固定值。當(dāng)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，對(duì)照器件數(shù)據(jù)手冊(cè)所確定的VGS和IDS進(jìn)行測(cè)量，由于較寬溫度下(0～150 ℃)模塊導(dǎo)通電阻和溫度有良好的二次關(guān)系，在模塊鍵合線健康狀態(tài)下，取三個(gè)不同的(RM(on),Tj)坐標(biāo)，就可以得出該模塊在0～150 ℃下的關(guān)于導(dǎo)通電阻和溫度的二次函數(shù)。用上述方法，只要把導(dǎo)通電阻和溫度進(jìn)行二次擬合來(lái)近似，歸一化處理后，就可消除溫度對(duì)導(dǎo)通電阻的影響。

圖4 Tj與RDS(on)的二次擬合結(jié)果(IDS=20 A)Fig.4 Fitted relationship between Tj and RDS(on)

圖4所示，經(jīng)過(guò)二次擬合后，在0～150 ℃的情況下，誤差為0.995，且擬合所產(chǎn)生的誤差與鍵合線脫落引起的導(dǎo)通電阻的改變相比可以忽略不計(jì)，故可以進(jìn)行二次擬合來(lái)進(jìn)行折算。

同時(shí)模塊導(dǎo)通電阻還受導(dǎo)通電流的影響，如圖5所示，導(dǎo)通電阻隨著導(dǎo)通電流的增加而線性增大。

圖5 在不同溫度下RDS(on)和IDS的關(guān)系Fig.5 Relationship between RDS(on) and IDS at different temperatures

圖6 Tj、RDS(on)和Id的關(guān)系Fig.6 Relationship between RDS(on) and Id at different temperatures

在實(shí)際應(yīng)用中，往往會(huì)給定柵極電壓VGS，使器件處于完全導(dǎo)通狀態(tài)，且柵極電壓為固定值。故通過(guò)上述方法，可將溫度Tj和漏極電流Id進(jìn)行歸一化處理，如圖6所示，將導(dǎo)通電阻歸算到同一溫度和同一導(dǎo)通電流下與健康臨界值進(jìn)行比較，消除溫度Tj和漏極電流Id對(duì)導(dǎo)通電阻的影響。因此，

RM(on)=f(RBW)

(7)

在實(shí)際應(yīng)用中，可以用DSP處理器采集測(cè)量電路的Id，Tj和VDS。通過(guò)計(jì)算得出其導(dǎo)通電阻，并進(jìn)行擬合歸一化處理得到歸算后的模塊導(dǎo)通電阻值。鍵合線的在線檢測(cè)流程，如圖7所示，將擬合后的導(dǎo)通電阻與臨界值進(jìn)行比較，如超出臨界值，則需更換模塊。

圖7 鍵合線狀態(tài)監(jiān)測(cè)流程圖Fig.7 Flow chart of condition monitoring of bond wire process

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)量

本文采用逐步剪斷鍵合線的方法模擬鍵合線脫落的情況，將SiC MOSFET模塊久置于恒溫箱中，且SiC MOSFET模塊沒(méi)有運(yùn)行，此時(shí)可認(rèn)為殼溫和結(jié)溫相等。

模塊導(dǎo)通期間主要分為3個(gè)階段：開通階段，導(dǎo)通階段，關(guān)斷階段。 導(dǎo)通階段時(shí)間為50 μs。測(cè)試導(dǎo)通電阻期間，模塊會(huì)產(chǎn)生2 J左右的熱量，使得結(jié)溫略高于恒溫箱的溫度。

本實(shí)驗(yàn)采用了如圖8所示的Agilent B1 505 A與N1 259 A功率器件分析儀/曲線追蹤器，提供柵極電壓為20 V，漏極電流20 A；恒溫箱能提供特定溫度給被測(cè)模塊；被測(cè)試模塊采用該模塊的上半橋臂，將依次剪斷上半橋臂源極的鍵合線。圖9為測(cè)量原理圖。

圖8 靜態(tài)特性測(cè)量實(shí)物圖Fig.8 Physical layout of static characteristics measurement

圖9 導(dǎo)通電阻測(cè)量原理圖Fig.9 On state resistance measurement schematic

由于一個(gè)SiC MOSFET模塊是由6個(gè)SiC MOSFET芯片并聯(lián)，每個(gè)SiC MOSFET芯片又與2個(gè)二極管反向并聯(lián)，如圖3所示。當(dāng)鍵合線斷裂時(shí)，分為兩種情況：

(1)如圖3紅框所標(biāo)出的源極24根并聯(lián)鍵合線斷裂，且鍵合線的斷裂沒(méi)有影響到SiC MOSFET芯片的正常工作；

(2)某些鍵合線的斷裂導(dǎo)致SiC MOSFET芯片的斷開。

3.1 鍵合線斷裂沒(méi)有導(dǎo)致SiC MOSFET芯片斷開

當(dāng)6塊SiC MOSFET芯片全部正常工作時(shí)，圖3紅框中至少需剩余4根鍵合線正常工作。模塊在25 ℃時(shí)隨著鍵合線的減少，SiC MOSFET模塊的導(dǎo)通電阻測(cè)量值逐漸增大，文獻(xiàn)[24]提出，鍵合線健康狀態(tài)可初步分為3個(gè)：健康狀態(tài)、亞健康狀態(tài)、病態(tài)，如圖10所示。

采用上述方法，對(duì)SiC MOSFET模塊測(cè)量依次剪斷鍵合線。恒溫箱固定于25 ℃，柵極電壓為20 V，漏極電流為20 A，測(cè)得的導(dǎo)通電阻如圖10所示，當(dāng)剪斷14根鍵合線后，導(dǎo)通電阻發(fā)生了較大的變化，增加了5.064%。當(dāng)鍵合線斷裂根數(shù)大于14時(shí)，剩余鍵合線上分得電流會(huì)驟增，加速SiC MOSFET模塊的老化和其他鍵合線的斷裂，此時(shí)認(rèn)為SiC MOSFET為病態(tài)，應(yīng)及時(shí)更換。根據(jù)圖10所示的剪斷不同鍵合線根數(shù)對(duì)應(yīng)的導(dǎo)通電阻值，如表1所示，得知隨著鍵合線的變少，導(dǎo)通電阻值的變化速度加快。當(dāng)鍵合線脫落根數(shù)達(dá)到60%的時(shí)，通態(tài)電阻增加5.064%，認(rèn)為模塊達(dá)到了病態(tài)。

圖10 剪斷不同鍵合線下的導(dǎo)通電阻Fig.10 On state resistance with different bonding wires cut off

表1 剪斷鍵合線后模塊導(dǎo)通電阻值

Tab.1 On state resistance value of module with different bonding wires cut off

鍵合線剪斷根數(shù)RM(on)/mΩ變化百分?jǐn)?shù)/%013.9020213.9480.330414.0020.719614.0691.201814.1531.8051014.2611.3811214.4043.6111414.6065.0641614.9087.2361815.41110.8541915.81513.7612016.42018.113

3.2 鍵合線斷裂導(dǎo)致MOSFET芯片斷開

當(dāng)鍵合線的斷裂影響到MOSFET芯片的正常工作時(shí)，某些鍵合線的斷裂會(huì)導(dǎo)致SiC MOSFET芯片斷開，如連接?xùn)艠O和銅板的鍵合線斷開、連接源極和二極管的鍵合線斷開、連接銅板和銅板的6根并聯(lián)的鍵合線全部斷開。假設(shè)發(fā)生SiC MOSFET芯片斷開發(fā)生，同時(shí)有盡可能多的鍵合線正常工作，這時(shí)的導(dǎo)通電阻是最小的，這種情況最大地體現(xiàn)出MOSFET芯片的斷開對(duì)于導(dǎo)通電阻的增加的影響。

利用上述方法，圖11為當(dāng)被測(cè)模塊處于25 ℃，柵極電壓為20 V，漏極電流為20 A時(shí)，SiC MOSFET芯片的斷開塊數(shù)與導(dǎo)通電阻之間的關(guān)系。當(dāng)僅一個(gè)SiC MOSFET芯片斷開時(shí)，導(dǎo)通電阻增加6.56%，超過(guò)了病態(tài)導(dǎo)通電阻的臨界值。這是因?yàn)閱蝹€(gè)SiC MOSFET芯片相對(duì)于鍵合線阻值較大且只有6塊并聯(lián)。因此一塊芯片斷開連接，就是使導(dǎo)通電阻驟增。表2為隨著芯片斷開數(shù)量的增多，模塊的導(dǎo)通電阻增大加快。由于當(dāng)單個(gè)SiC MOSFET芯片因鍵合線故障而發(fā)生斷開時(shí)，其他的SiC MOSFET芯片因并聯(lián)分流的原因，所承受電流將大大高于額定電流，將會(huì)加速老化，甚至擊穿。此時(shí)，需要更換SiC MOSFET模塊。

圖11 隨著SiC MOSFET芯片的斷開導(dǎo)通電阻的變化Fig.11 Changes of on state resistance when the SiC MOSFET chip is disconnected

表2 斷開芯片后模塊導(dǎo)通電阻值

Tab.2 On state resistance value of module after chips are disconnected

鍵合線斷開芯片RM(on) /mΩ變化百分?jǐn)?shù)/%013.909 30114.9036.562216.60518.798319.58540.223425.08879.786545.581227.119

結(jié)合上述討論，鍵合線斷裂使導(dǎo)通電阻值達(dá)到病態(tài)時(shí)，不論是否導(dǎo)致了SiC MOSFET芯片的斷開，都應(yīng)該及時(shí)的更換模塊。

4 結(jié) 論

本文基于模塊導(dǎo)通電阻與鍵合線健康狀態(tài)的關(guān)系，提出了一種可適用于在線監(jiān)測(cè)鍵合線老化的方法。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法可以在SiC MOSFET 模塊工作時(shí)，有效地檢測(cè)鍵合線的脫落情況。根據(jù)本文研究，得出以下結(jié)論。

(1)由于工業(yè)化制造的SiC MOSFET模塊在出廠時(shí)無(wú)法精確控制導(dǎo)通電阻，DATASHEET中的導(dǎo)通電阻為區(qū)間值。故需要SiC MOSFET模塊處于健康狀態(tài)工作時(shí)，通過(guò)采集模塊處于不同溫度和漏極電流時(shí)的導(dǎo)通電阻信息并擬合，此時(shí)所采集的信息為此模塊健康狀態(tài)實(shí)際的信息。SiC MOSFET模塊的特點(diǎn)為導(dǎo)通電阻很小，大約為幾毫歐至幾十毫歐，所以鍵合線阻值對(duì)整個(gè)模塊阻值占有一定的比重。當(dāng)功率越大，芯片的導(dǎo)通電阻往往越低。因此該方法可用于其他不同型號(hào)與不同廠家的SiC MOSFET模塊。

(2)導(dǎo)通電阻具有很高的抗噪能力。只需測(cè)量導(dǎo)通壓降VDS(on)和導(dǎo)通電流Id。當(dāng)鍵合線脫落根數(shù)達(dá)到60%的時(shí)，通態(tài)電阻增加5.064%，認(rèn)為模塊接近失效，意味著該模塊應(yīng)該及時(shí)更換。

(3)結(jié)溫的變化對(duì)本文所提方法影響較小，在較寬溫度下(0～150 ℃)，通過(guò)歸一化處理，可以忽略溫度對(duì)導(dǎo)通電阻的影響。

本文提出通過(guò)導(dǎo)通電阻監(jiān)測(cè)SiC MOSFET鍵合線健康狀態(tài)的方法，有較高的工業(yè)使用價(jià)值。通過(guò)理論分析，軟件仿真和實(shí)驗(yàn)測(cè)量，驗(yàn)證了該方法可行，同時(shí)定量分析了鍵合線和導(dǎo)通電阻的關(guān)系。進(jìn)而可以通過(guò)導(dǎo)通電阻，檢測(cè)模塊的老化程度，為模塊在線監(jiān)測(cè)提供了一個(gè)新思路。