IGBT模塊失效機(jī)理和主動(dòng)熱控制綜述

劉偉

摘要：近年來我國綜合國力的不斷增強(qiáng)，工業(yè)的迅猛發(fā)展，涌現(xiàn)出大量的工業(yè)企業(yè)。隨著電力電子裝置在新能源發(fā)電、交直流輸配電系統(tǒng)、軌道交通以及電動(dòng)汽車領(lǐng)域的廣泛使用，功率器件朝著高電壓等級(jí)、高功率密度趨勢發(fā)展，因此電力電子裝置可靠性成為廣泛關(guān)注的焦點(diǎn)問題。根據(jù)工業(yè)報(bào)告統(tǒng)計(jì)，功率變流器系統(tǒng)故障約有38%源于功率器件的失效，研究表明絕緣柵雙極晶體管（IGBT）模塊失效機(jī)理復(fù)雜，溫度、濕度、振動(dòng)、灰塵和污染都是影響功率器件失效的直接原因。IGBT模塊是變流器內(nèi)部最貴重的核心器件，也是最容易失效的部件之一，對于電力電子器件的使用壽命要求很少在10年以下，有的甚至要求達(dá)到30年。尤其是海上風(fēng)電系統(tǒng)，所處地理位置偏遠(yuǎn)，運(yùn)行環(huán)境較為惡劣，檢修非常不便，而由功率器件引起的故障占風(fēng)電機(jī)組故障的比例最高。因此，研究功率器件失效機(jī)理，是設(shè)計(jì)高可靠性電力電子變換器的必要環(huán)節(jié)，這對從事電力電子科研和相關(guān)工程技術(shù)人員也非常重要。本文就IGBT模塊失效機(jī)理和主動(dòng)熱控制展開探討。

關(guān)鍵詞：IGBT模塊;失效機(jī)理;主動(dòng)熱控制

引言

電力電子設(shè)備因其能量轉(zhuǎn)換效率高、主動(dòng)可控性和較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于對于可靠性需求較高的新能源發(fā)電、航空航天、高速機(jī)車牽引、混合動(dòng)力電動(dòng)汽車和工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)等領(lǐng)域中。在這些場合應(yīng)用時(shí)，電力電子設(shè)備會(huì)面臨各種或規(guī)律或不規(guī)律的功率大波動(dòng)以及各種周期或非周期性的強(qiáng)機(jī)械振動(dòng)等極端工況，相關(guān)統(tǒng)計(jì)表明，在光伏發(fā)電系統(tǒng)中計(jì)劃外的檢修有37%是由變流器故障引起的。而在變流器中功率器件常被列為最易失效的部件，同時(shí)根據(jù)調(diào)查，在工業(yè)中最常用的功率器件是IGBT。

1功率模塊結(jié)構(gòu)組成

功率模塊主要由表貼型功率器件、陶瓷覆銅板、承載底板、引線端子等構(gòu)成。陶瓷覆銅板上的銅箔層為表面貼型功率器件和引線端子提供電氣連接，而陶瓷層則保證電氣絕緣。承載底板選擇與陶瓷覆銅板材料特性相似的AlSiC基板，為功率模塊提供機(jī)械安裝和導(dǎo)熱界面。

2功率模塊IGBT失效機(jī)理

2.1與封裝結(jié)構(gòu)相關(guān)的失效

（1）金屬鋁引線脫落。鍵合指的是使用細(xì)金屬線，利用熱、壓力等能量的形式使引線與基板焊接，使內(nèi)部芯片與基板達(dá)到互聯(lián)并完成信息互通。在實(shí)際工作中，由于在正向?qū)娏髁鬟^可控器件導(dǎo)致溫度升高，而在反向?qū)〞r(shí)電流經(jīng)過反饋二極管續(xù)流使溫度降低，所以功率模塊不斷受到溫度變化的影響，由于芯片的材料與引線材料一般不同，其材料的熱膨脹系數(shù)自然不同，溫度的變化波動(dòng)會(huì)使之間產(chǎn)生熱機(jī)械應(yīng)力，從而使表面產(chǎn)生細(xì)痕，并隨著時(shí)間的累積逐漸加深，最終導(dǎo)致脫落。（2）不同焊料層間表面疲勞失效。封裝結(jié)構(gòu)材料的多樣性導(dǎo)致各層間膨脹系統(tǒng)也不同。工作中，由于溫度的不斷波動(dòng)，會(huì)在不同層表面產(chǎn)生不同的熱應(yīng)力，這樣導(dǎo)致了各層材料變形的程度不一樣，從而逐漸產(chǎn)生裂痕，而且材料表面的阻抗也隨之增大，影響表面之間的熱傳導(dǎo)性。并且，由于環(huán)境因素的影響，往往會(huì)提前發(fā)生斷裂導(dǎo)致失效。一般情況下溫度對疲勞程度有著顯著影響，而腐蝕環(huán)境對材料形變的程度也有一定的影響，雖然其影響程度不如前者，但幾項(xiàng)因素疊加在一起，交互影響，加速導(dǎo)致焊料層發(fā)生故障失效。

2.2IGBT模塊芯片失效

（1）電氣過應(yīng)力研究表明，IGBT芯片失效的主要原因在于承受了較大電氣過應(yīng)力。電氣過應(yīng)力失效指元器件承受的電流、電壓應(yīng)力或功率超過其允許的最大范圍，通常數(shù)據(jù)手冊中會(huì)給出IGBT模塊的安全工作區(qū)，當(dāng)電壓、電流或者功率超出工作區(qū)范圍即會(huì)出現(xiàn)IGBT芯片電氣過應(yīng)力失效。以過電壓失效為例，柵射極過電壓失效源于驅(qū)動(dòng)電路的異常，而集射極過電壓失效是因?yàn)榛芈分写嬖陔s散電感，這會(huì)在器件的關(guān)斷過程中感生一個(gè)電壓尖峰而導(dǎo)致器件擊穿失效。另外還可能導(dǎo)致集電極dV/dt過高，嚴(yán)重時(shí)發(fā)生動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)導(dǎo)致芯片熱擊穿失效。（2）靜電放電。IGBT芯片內(nèi)不同材料之間處于不同電位因而可能會(huì)發(fā)生靜電荷的快速轉(zhuǎn)移，產(chǎn)生的電場會(huì)導(dǎo)致局部擊穿造成侵蝕性破壞，多次靜電放電（也稱為局部電擊穿通道）最終會(huì)擊穿柵極氧化層使得芯片失效。通常在設(shè)計(jì)高要求的IGBT模塊時(shí)，會(huì)利用滅弧電壓驗(yàn)證模塊數(shù)據(jù)手冊中的絕緣電壓Viso，確保所使用工藝產(chǎn)生的靜電放電達(dá)到絕緣要求。

3主動(dòng)熱控制

3.1外部熱控制

（1）主動(dòng)冷卻。主動(dòng)冷卻是指冷媒循環(huán)傳熱，利用媒介將熱量從器件內(nèi)部加速帶出至環(huán)境中。目前主動(dòng)冷卻的方式有：風(fēng)冷、直接液冷、微通道、兩相強(qiáng)制對流、射流沖擊以及噴霧換熱。標(biāo)準(zhǔn)的主動(dòng)冷卻方法中，風(fēng)扇以恒定的速度驅(qū)動(dòng)，并施加恒定的偏壓。若以溫度調(diào)節(jié)的方式來區(qū)分，它是一種前饋控制的方法，在系統(tǒng)中，功率耗散和環(huán)境溫度都會(huì)被調(diào)節(jié)模塊所感應(yīng)到，然后調(diào)制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，來將給定位置處的溫度（TX）降至最低。其優(yōu)點(diǎn)在于這個(gè)系統(tǒng)是開環(huán)的（即它不受穩(wěn)定性問題和環(huán)境條件的影響），這種主動(dòng)冷卻的方法可以預(yù)測溫度變化，也就是說，可以在溫度發(fā)生任何變化之前對干擾（功耗的變化）作出反應(yīng)，從而使系統(tǒng)擁有更高的效率。其限制是無法直接監(jiān)測和調(diào)節(jié)TX，而TX是一個(gè)實(shí)際變量，其值會(huì)受給定的參考值的約束。（2）熱電制冷。熱電制冷主要利用珀?duì)柼?yīng)將器件溫度傳至環(huán)境中，其制冷效果主要取決于電偶對材料的熱電勢。由于半導(dǎo)體材料具有較高的熱電勢，因此，可以用它來制成小型的熱電制冷器。由于熱電制冷器不需要介質(zhì)，又無機(jī)械部件，可靠性高，并可以逆向運(yùn)轉(zhuǎn)，而且溫度可以精確地控制在±0.01℃，在電子設(shè)備或電子元器件的熱控制方面得到了比較廣泛的應(yīng)用。早期的熱電制冷主要注重靜態(tài)的熱負(fù)載的研究，但隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，器件工況越來越復(fù)雜，就需要將器件溫度作為一種動(dòng)態(tài)熱負(fù)載來看待，即需要考慮更多的問題如額外功耗以及新的控制電路等。目前，熱電制冷（TEC）已成為制冷領(lǐng)域的一個(gè)重要發(fā)展方向，但是由于其轉(zhuǎn)換效率過低且材料成本較高，難以得到廣泛應(yīng)用。

3.2IGBT模塊焊料層狀態(tài)監(jiān)測

焊料層是IGBT模塊散熱路徑中的重要通道，也是封裝失效的薄弱環(huán)節(jié)，其狀態(tài)監(jiān)測對系統(tǒng)可靠性極為重要。焊料層老化會(huì)直接影響IGBT模塊的結(jié)溫變化，通過監(jiān)測殼溫、結(jié)溫、熱阻來評估模塊的健康狀態(tài)，是最直接有效的方式。

3.3內(nèi)部熱控制

（1）開關(guān)頻率。功率器件在應(yīng)用中，開關(guān)頻率的大小直接影響開關(guān)損耗，因此可以通過調(diào)節(jié)開關(guān)頻率對器件結(jié)溫進(jìn)行控制。，主要用改變脈沖寬度調(diào)制（PWM）的頻率來限制最大結(jié)溫。（2）開關(guān)驅(qū)動(dòng)波形調(diào)整。器件開關(guān)損耗還受門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)的影響，因此可以通過調(diào)整開關(guān)驅(qū)動(dòng)波形實(shí)現(xiàn)損耗控制。實(shí)現(xiàn)方式是通過外部驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)以調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電壓的幅值、上升時(shí)間、下降時(shí)間等。因此，該方法對驅(qū)動(dòng)電路的精度和速度有著較高要求。

結(jié)語

IGBT模塊偶爾發(fā)生一次損傷，長期損傷累積就會(huì)造成器件失效，因此功率器件失效是必然發(fā)生的，關(guān)鍵是何時(shí)開始失效。尤其當(dāng)多種失效機(jī)制相互作用，使器件失效加速，為降低系統(tǒng)失效率，提高系統(tǒng)可靠性，功率器件健康狀態(tài)監(jiān)測成為提高電力電子可靠性的一種有效經(jīng)濟(jì)手段。

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