壓接型IGBT器件封裝退化監(jiān)測(cè)方法綜述

李 輝 劉人寬 王 曉 姚 然 賴 偉

壓接型IGBT器件封裝退化監(jiān)測(cè)方法綜述

李 輝 劉人寬 王 曉 姚 然 賴 偉

（輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（重慶大學(xué)） 重慶 400044）

壓接型IGBT器件是智能電網(wǎng)中大容量電力電子裝備的基礎(chǔ)核心器件，其可靠性直接關(guān)系到裝備及電網(wǎng)的運(yùn)行安全，而封裝失效是其主要失效模式，封裝退化監(jiān)測(cè)是實(shí)現(xiàn)其故障診斷、狀態(tài)預(yù)測(cè)及智能運(yùn)維的關(guān)鍵。針對(duì)現(xiàn)有研究大多側(cè)重于傳統(tǒng)焊接型IGBT器件封裝退化監(jiān)測(cè)的問(wèn)題，該文以壓接型IGBT器件為研究對(duì)象，首先，介紹壓接型IGBT器件封裝結(jié)構(gòu)；然后，系統(tǒng)分析微動(dòng)磨損失效、柵氧化層失效、接觸面微燒蝕失效、邊界翹曲失效、彈簧失效、短路失效、開路失效共七種封裝失效模式及對(duì)應(yīng)的封裝退化監(jiān)測(cè)方法，并提出現(xiàn)有監(jiān)測(cè)方法存在的問(wèn)題；最后，從封裝退化表征及評(píng)估、非接觸式監(jiān)測(cè)、高靈敏度監(jiān)測(cè)三個(gè)方面，展望壓接型IGBT器件封裝退化監(jiān)測(cè)新思路。

壓接型IGBT 封裝退化監(jiān)測(cè) 失效模式 可靠性

0 引言

絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）是一種復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件[1]，具有高輸入阻抗和低導(dǎo)通壓降的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)將高壓IGBT芯片規(guī)?；⒙?lián)，與續(xù)流二極管（Freewheeling Diode, FWD）芯片封裝成高壓大功率IGBT器件，再通過(guò)器件串聯(lián)，即可制造各類大容量電力電子裝備，因此大功率IGBT器件是大容量電力電子裝備的基礎(chǔ)核心器件。隨著新能源發(fā)電、軌道交通、智能電網(wǎng)、電動(dòng)汽車等新興產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，IGBT器件得到了前所未有的廣泛應(yīng)用[2-3]。在所有的功率半導(dǎo)體器件使用中，IGBT器件占比高達(dá)42%，是目前使用頻率最高的功率半導(dǎo)體器件[4]。就高壓直流輸電領(lǐng)域而言，ABB公司指出，高壓直流輸電故障中75%以上為功率變換器故障[5]。國(guó)內(nèi)換流閥運(yùn)行情況統(tǒng)計(jì)表明，換流閥年故障率為1.3次/年，其中84%的故障是換流閥元件故障[6]。而封裝失效是IGBT器件主要失效模式之 一[7]，封裝可靠性已成為影響電力電子裝備及系統(tǒng)安全的重要因素。IGBT器件封裝退化監(jiān)測(cè)技術(shù)通過(guò)監(jiān)測(cè)封裝退化過(guò)程中特征參量變化以評(píng)估封裝退化程度，是實(shí)現(xiàn)器件狀態(tài)評(píng)估、故障預(yù)測(cè)及智能運(yùn)維的關(guān)鍵。

大功率IGBT器件有焊接與壓接兩種封裝形式[8-9]。焊接型IGBT器件通過(guò)鍵合線使內(nèi)部芯片與外部電極形成電氣連接，其生產(chǎn)成本較低，是目前應(yīng)用最廣泛的IGBT器件[10]，但因其存在功率密度不足、焊料層脫落、鍵合線斷裂、單面散熱等問(wèn)題，難以滿足高功率等級(jí)的需求[11]。壓接型IGBT（Press Pack-Insulated Gate Bipolar Transistor, PP-IGBT）器件通過(guò)施加壓力，使內(nèi)部芯片與外部電極形成電氣連接，可實(shí)現(xiàn)多芯片并聯(lián)壓接封裝。相比焊接型IGBT器件，壓接型IGBT器件易于規(guī)?；酒⒙?lián)封裝、串聯(lián)使用，且具有低熱阻、雙面散熱、失效短路等優(yōu)點(diǎn)[12-13]。以我國(guó)正在建設(shè)的張北柔性直流輸電工程為例，按4 500V/3 000A壓接型IGBT器件計(jì)算，整個(gè)工程器件使用數(shù)量高達(dá)4萬(wàn)支以上，若因IGBT器件故障導(dǎo)致柔性直流換流站停運(yùn)一天，經(jīng)濟(jì)損失將高達(dá)千萬(wàn)元，而實(shí)現(xiàn)壓接型IGBT器件封裝退化監(jiān)測(cè)可有效地評(píng)估封裝退化程度，科學(xué)指導(dǎo)運(yùn)維方案并及時(shí)更換高劣化器件，有利于規(guī)避潛在故障風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)電力系統(tǒng)安全運(yùn)行至關(guān)重要[14]。

國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有大功率IGBT器件封裝退化監(jiān)測(cè)方法研究的對(duì)象多為焊接型IGBT器件，如河北工業(yè)大學(xué)王希平等的綜述性文獻(xiàn)[7]及美國(guó)馬里蘭大學(xué)H. Oh等的綜述性文獻(xiàn)[10]，而對(duì)壓接型IGBT器件研究較少。本文則針對(duì)壓接型IGBT器件，結(jié)合最新研究成果，綜述壓接型IGBT器件封裝退化監(jiān)測(cè)方法。首先，詳細(xì)介紹剛性壓接、彈性壓接兩種主要的壓接型IGBT器件封裝結(jié)構(gòu)，以及納米銀燒結(jié)壓接、混合壓接兩種近年提出的新型封裝結(jié)構(gòu)。然后，基于壓接型IGBT器件微動(dòng)磨損失效、柵氧化層失效、接觸面微燒蝕失效、邊界翹曲失效、彈簧失效、短路失效、開路失效共七種封裝失效模式的失效機(jī)理，分析各失效模式對(duì)應(yīng)的封裝退化監(jiān)測(cè)方法。最后，針對(duì)現(xiàn)有監(jiān)測(cè)方法存在的問(wèn)題，展望壓接型IGBT器件封裝退化監(jiān)測(cè)新思路，提出未來(lái)研究重點(diǎn)將聚焦于封裝退化評(píng)估及表征、非接觸式監(jiān)測(cè)、高靈敏度監(jiān)測(cè)三方面。

1 壓接型IGBT器件封裝結(jié)構(gòu)

壓接型IGBT器件根據(jù)內(nèi)部芯片數(shù)量可分為壓接單芯片器件與壓接多芯片器件，分別如圖1a、圖1b所示，根據(jù)封裝結(jié)構(gòu)主要可分為剛性壓接器件與彈性壓接器件[15]，分別如圖1b、圖1c[18]所示。

剛性壓接器件主要由WESTCODE、TOSHIBA等公司生產(chǎn)，國(guó)內(nèi)中車時(shí)代電氣、全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院等企業(yè)也開展了自主設(shè)計(jì)與制造[16-17]，其主要結(jié)構(gòu)由集電極銅板、集電極鉬片、IGBT芯片、發(fā)射極鉬片、銀墊片、門極頂針、支架、門極PCB、凸臺(tái)、發(fā)射極銅板和外殼構(gòu)成，其中鉬片作為緩沖層以減小熱應(yīng)力對(duì)芯片的沖擊，門極頂針連接芯片門極區(qū)和門極PCB以傳遞驅(qū)動(dòng)信號(hào)，銀墊片用于緩解芯片間壓力分配不均問(wèn)題，集電極與發(fā)射極銅板外表面均可安裝散熱裝置實(shí)現(xiàn)雙面散熱。器件工作時(shí)需要通過(guò)夾具施加一定壓力以減小接觸電阻與接觸熱阻，進(jìn)而保證各層封裝材料間的良好接觸[18]。同時(shí)，為了使多芯片間電-熱-力分布均勻，需要對(duì)內(nèi)部各種封裝材料進(jìn)行精準(zhǔn)匹配，構(gòu)件進(jìn)行精密加工，因此剛性壓接器件普遍對(duì)工藝精度要求較高。

彈性壓接器件主要由ABB公司生產(chǎn)，其通過(guò)引入碟簧來(lái)補(bǔ)償加壓過(guò)程中的壓力不足并吸收材料熱膨脹過(guò)程中的過(guò)應(yīng)力，主要結(jié)構(gòu)由發(fā)射極墊片、碟簧、銀/鋁墊片、鉬片、焊有芯片的集電極板、門極引線板和銅蓋板構(gòu)成[19]。相比剛性壓接器件，彈性壓接器件降低了工藝精度要求，制造成本較低，同時(shí)保證了芯片表面壓力均勻性，但芯片與集電極板通過(guò)焊料連接，在長(zhǎng)期功率循環(huán)過(guò)程中存在焊料層脫落失效問(wèn)題，且碟簧結(jié)構(gòu)的引入導(dǎo)致其散熱模式為單面散熱，限制了其在更高功率場(chǎng)合的應(yīng)用。

新型壓接型IGBT器件封裝類型如圖2所示。為提高壓接器件中芯片與集電極鉬層之間的電熱接觸性能進(jìn)而提升器件整體性能，天津大學(xué)梅云輝等提出了納米銀燒結(jié)壓接器件，如圖2a所示，該封裝結(jié)構(gòu)采用納米銀焊膏將剛性壓接器件中集電極鉬片與IGBT芯片通過(guò)燒結(jié)工藝連接成整體，進(jìn)而降低了接觸熱阻與接觸電阻[20]。測(cè)試結(jié)果表明，納米銀燒結(jié)壓接器件與剛性壓接器件性能一致，但結(jié)殼熱阻降低15.8%[21]。同時(shí)，納米銀燒結(jié)封裝結(jié)構(gòu)提升了IGBT芯片表面壓力分布均勻性，有利于提高器件整體電-熱性能及可靠性。

圖2 新型壓接型IGBT器件封裝類型

2019年，DYNEX公司提出了一種銀燒結(jié)-剛性-彈性壓接相結(jié)合的混合壓接封裝器件，如圖2b所示。在該封裝結(jié)構(gòu)中，采用碟簧取代剛性壓接封裝結(jié)構(gòu)中的凸臺(tái)，并利用納米銀焊膏將IGBT芯片與集電極鉬片、發(fā)射極鉬片連接成整體。該結(jié)構(gòu)可進(jìn)一步提升IGBT芯片表面壓力分布均勻性，但存在單面散熱能力較差的問(wèn)題。

歸納總結(jié)上述四種壓接封裝結(jié)構(gòu)性能及特點(diǎn)，見表1。

表1 壓接型IGBT器件封裝類型對(duì)比

Tab.1 Comparison of PP-IGBT modules package types

2 封裝失效模式及退化監(jiān)測(cè)方法

現(xiàn)有封裝失效及退化監(jiān)測(cè)方法研究的對(duì)象多為焊接型IGBT器件，而對(duì)壓接型IGBT器件認(rèn)知有限。壓接型IGBT器件與焊接型IGBT器件封裝失效模式不同，且壓接單芯片器件與壓接多芯片器件封裝失效模式也可能不同，因而所適用的封裝退化監(jiān)測(cè)方法有所不同?，F(xiàn)有研究認(rèn)為壓接型IGBT器件存在微動(dòng)磨損失效、柵氧化層失效、接觸面微燒蝕失效、邊界翹曲失效、彈簧失效、短路失效、開路失效共七種封裝失效模式[22-23]。

2.1 微動(dòng)磨損失效

微動(dòng)磨損失效是壓接型IGBT器件主要封裝失效模式之一，微動(dòng)磨損是指相互壓緊的兩種材料表面由于小振幅擺動(dòng)而產(chǎn)生的一種復(fù)合形式磨損。實(shí)際工況中壓接器件受交變應(yīng)力影響，各接觸面間產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)導(dǎo)致微動(dòng)磨損，致使接觸面粗糙度、接觸電阻、接觸熱阻上升，進(jìn)而引發(fā)微動(dòng)磨損失效[24-26]，壓接型IGBT器件微動(dòng)磨損失效如圖3所示。因此，導(dǎo)通電阻、導(dǎo)通壓降以及結(jié)殼熱阻等受接觸熱阻與接觸電阻影響的參量可作為微動(dòng)磨損失效模式下封裝退化監(jiān)測(cè)特征參量。

圖3 壓接型IGBT器件微動(dòng)磨損失效

（1）導(dǎo)通電阻（ON）：ON由芯片導(dǎo)通電阻ON-chip和封裝電阻ON-package構(gòu)成。其中，ON-chip受溫度影響，ON-package受壓接器件層間接觸電阻影響。監(jiān)測(cè)中為避免溫度影響，一般采集相同溫度下的導(dǎo)通壓降CE-ON及集電極電流C以獲取ON，即

現(xiàn)有可靠性測(cè)試通常以CE-ON上升5%作為器件失效標(biāo)準(zhǔn)[27]，而C主要受負(fù)載及溫度影響，在恒溫測(cè)試條件下幾乎保持恒定，因此一般也將ON上升5%作為器件失效標(biāo)準(zhǔn)。重慶大學(xué)江澤申通過(guò)壓接單芯片器件功率循環(huán)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)由于IGBT芯片表面受到下鉬片擠壓，橫向、縱向微動(dòng)位移使芯片表面金屬氧化層及內(nèi)部硅材料被破壞，進(jìn)而導(dǎo)致ON隨封裝退化緩慢上升，實(shí)驗(yàn)中測(cè)得ON變化規(guī)律如圖4a所示[28]。

（2）導(dǎo)通壓降（CE-ON）：CE-ON較ON測(cè)量更便捷，是器件封裝退化的重要監(jiān)測(cè)指標(biāo)[23, 29]，一般以CE-ON上升5%作為器件失效標(biāo)準(zhǔn)[27]。重慶大學(xué)江澤申等通過(guò)壓接單芯片器件功率循環(huán)實(shí)驗(yàn)得到CE-ON變化規(guī)律如圖4b所示，在24 480次循環(huán)時(shí)CE-ON驟升，器件失效[22]。西安交通大學(xué)Zhan Cao等利用線性關(guān)系消除了冷卻水溫度波動(dòng)對(duì)CE-ON的影響，并通過(guò)壓接多芯片器件功率循環(huán)實(shí)驗(yàn)得到CE-ON變化規(guī)律，如圖4c所示[30]。結(jié)果表明，CE-ON存在較大波動(dòng)且對(duì)器件封裝退化中前期特性反映不明顯，這是因?yàn)槎嘈酒骷?nèi)部為多子模塊并聯(lián)結(jié)構(gòu)，單一子模塊的微動(dòng)磨損對(duì)多芯片器件CE-ON影響不大，因此基于CE-ON的監(jiān)測(cè)方法通常難以對(duì)中低封裝退化程度的多芯片器件進(jìn)行有效評(píng)估。

圖4 微動(dòng)磨損失效中特征參量變化規(guī)律

（3）熱阻（）：微動(dòng)磨損會(huì)導(dǎo)致器件各層間接觸熱阻不斷增大，直接影響器件散熱性能，因此熱阻可有效反映器件封裝退化程度，通常以器件熱阻上升20%作為器件失效標(biāo)準(zhǔn)[31]。目前熱阻測(cè)量中應(yīng)用最廣泛的是熱電偶測(cè)試法，標(biāo)準(zhǔn)JEDEC51-1[32]中指出，通過(guò)測(cè)量功率半導(dǎo)體器件的殼溫c、結(jié)溫j和功率損耗即可計(jì)算得到器件結(jié)殼熱阻jc[33]，即

華北電力大學(xué)Deng Erping等通過(guò)在集電極與發(fā)射極銅板表面刻蝕槽的方式放置熱電偶以測(cè)量壓接器件殼溫，如圖5a所示[34]。傅實(shí)等提出可以在芯片集電極鉬片上刻蝕截面積為1mm×1mm的槽放置熱電偶，這樣緊靠芯片的熱電偶可以近似測(cè)量結(jié)溫[35]。然而刻蝕的槽會(huì)在一定程度影響器件電流、熱流的流通路徑，進(jìn)而可能會(huì)對(duì)器件可靠性產(chǎn)生不良影響。小電流法也是目前常用的結(jié)溫測(cè)量方法，研究表明，當(dāng)IGBT器件通100mA小電流時(shí)，集射極電壓VCE-100mA與結(jié)溫間呈極高的線性關(guān)系[36]，因此通過(guò)測(cè)量小電流下的VCE-ON即可間接得到結(jié)溫，該方法具有無(wú)需改造器件封裝的優(yōu)勢(shì)。

Deng Erping等提出了瞬態(tài)雙界面熱阻測(cè)量法，如圖5b所示。該方法分別測(cè)量器件殼表面與散熱器直接接觸、器件殼表面與散熱器間涂有導(dǎo)熱硅脂兩種情況下的瞬態(tài)熱阻抗曲線，兩條瞬態(tài)熱阻抗曲線分離點(diǎn)對(duì)應(yīng)的熱阻即為器件結(jié)殼熱阻jc[37]。該方法無(wú)需通過(guò)熱電偶測(cè)量器件殼溫，有效地避免了殼溫測(cè)量需改造器件封裝以及難以區(qū)分熱電偶測(cè)量溫度是器件殼溫還是散熱器溫度的問(wèn)題。

上述兩種熱阻測(cè)量方法均可應(yīng)用于壓接單芯片器件中，但在壓接多芯片器件中，由小電流法測(cè)量的結(jié)溫是多芯片平均結(jié)溫，進(jìn)而僅能測(cè)得多芯片器件平均結(jié)殼熱阻，該指標(biāo)可以反映多芯片器件整體封裝退化程度，但并不能反映多芯片器件內(nèi)各子模塊封裝退化程度。

（4）電熱不平衡性：壓力不均是壓接多芯片器件封裝失效的根本原因，其導(dǎo)致電流與溫度分布不均，部分子模塊因受到過(guò)大電-熱應(yīng)力致使微動(dòng)磨損加劇，進(jìn)而引發(fā)器件失效[38-39]。重慶大學(xué)Lai Wei等研究表明，壓接多芯片器件中各芯片間最大溫度差與最大電流差可作為封裝退化監(jiān)測(cè)指標(biāo)，微動(dòng)磨損失效中電熱不平衡性變化規(guī)律如圖6所示[39]。

在壓接多芯片器件芯片溫度分布測(cè)量方面，目前較為可行的是熱電偶和芯片集成溫度傳感器方案。采用熱電偶測(cè)量需改造封裝，進(jìn)而對(duì)器件電- 熱分布產(chǎn)生不確定影響，而芯片集成溫度傳感器無(wú)需破壞封裝，在富士公司生產(chǎn)的IGBT器件中已有相關(guān)應(yīng)用，如圖7a所示[40]，是一種較為可行的芯片溫度分布監(jiān)測(cè)方案。

圖6 微動(dòng)磨損失效中電熱不平衡性變化規(guī)律

圖7 多芯片器件溫度、電流分布監(jiān)測(cè)

在壓接多芯片器件電流分布測(cè)量方面，目前最具可行性的是羅氏線圈方案，羅氏線圈不破壞封裝，抗干擾能力與線性度極佳，已在多芯片器件電流分布測(cè)量中得到應(yīng)用[41-42]。北京交通大學(xué)Jiao Chaoqun等進(jìn)一步設(shè)計(jì)出了適用于壓接多芯片器件電流分布監(jiān)測(cè)的集成羅氏線圈，該線圈僅1mm厚，集成于PCB中，如圖7b所示[43]，該方案較傳統(tǒng)羅氏線圈體積更小、集成度更高，在電流分布監(jiān)測(cè)中具有廣闊的應(yīng)用前景。同時(shí)，文獻(xiàn)[44]利用小電流過(guò)趨熱效應(yīng)，即結(jié)溫高的芯片比結(jié)溫低的芯片分布更多的小電流，通過(guò)在正溫度系數(shù)區(qū)工作一段時(shí)間前后集射極電壓變化量ΔCE，作為焊接多芯片器件電流分布均勻性的測(cè)評(píng)指標(biāo)，ΔCE斜率越大則表明電流分布均勻性越差。該方法雖不能測(cè)得各子模塊電流具體分布情況，但可定性分析不均勻程度，為壓接多芯片器件中電流分布監(jiān)測(cè)提供了一種新思路。

2.2 柵氧化層失效

柵氧化層失效是壓接型IGBT器件主要封裝失效模式之一。柵氧化層失效主要是由于IGBT芯片表面受到下鉬片擠壓，在交變應(yīng)力作用下出現(xiàn)裂紋并塌陷，導(dǎo)致柵氧化層損傷，門射電阻GE減少，門極漏電流增大。當(dāng)門極驅(qū)動(dòng)不能提供已增大的門極電流G時(shí)，門極電壓GE下降，導(dǎo)電溝道變窄，CE-ON呈階梯型上升，IGBT芯片受到過(guò)應(yīng)力，加劇柵氧化層損傷，加速芯片退化，最終引發(fā)器件失效，壓接型IGBT器件柵氧化層失效如圖8所示[23, 28]。同時(shí)，IGBT芯片退化會(huì)對(duì)器件開關(guān)特性產(chǎn)生一定影響。由此可見，CE-ON、GE、G、GE、開關(guān)時(shí)間等參量可作為柵氧化層失效模式下封裝退化監(jiān)測(cè)特征參量。

圖8 壓接型IGBT器件柵氧化層失效

（1）導(dǎo)通壓降（CE-ON）：德國(guó)開姆尼茨工業(yè)大學(xué)L. Tinschert等研究表明，IGBT芯片柵氧化層損傷后CE-ON呈階梯型上升，芯片所受交變應(yīng)力增大，進(jìn)而加劇柵氧化層損傷，加速器件失效過(guò)程，受測(cè)器件（Devices Under Test, DUT）CE-ON變化規(guī)律如圖9a所示[23]。

（2）門極參量：重慶大學(xué)江澤申發(fā)現(xiàn)加速老化實(shí)驗(yàn)前后IGBT器件GE從100kW降至103W，門極出現(xiàn)損壞[28]。同時(shí)，由于柵氧化層損傷會(huì)影響IGBT芯片退化程度，IGBT芯片狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法也可考慮應(yīng)用于柵氧化層失效模式下的封裝退化監(jiān)測(cè)中，如重慶大學(xué)Zhou Shengqi等提出了一種利用支持向量機(jī)，基于G的IGBT芯片狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法，通過(guò)芯片故障器件與健康器件開關(guān)過(guò)程中G動(dòng)態(tài)特性對(duì)比，發(fā)現(xiàn)芯片故障導(dǎo)致G幅值下降[45]。M. A. Rodriguez- Blanco等發(fā)現(xiàn)GE米勒平臺(tái)隨IGBT芯片退化而變化，老化芯片的GE上升時(shí)間更快，GE動(dòng)態(tài)特性對(duì)比如圖9b所示[46]。R. Mandeya等提出了一種基于特定閾值電壓GE-PRE-TH的芯片退化監(jiān)測(cè)方法，GE-PRE-TH取值于GE過(guò)零點(diǎn)與閾值電壓GE-TH間的特定時(shí)刻，研究表明，多芯片器件中每片芯片失效會(huì)導(dǎo)致GE-PRE-TH偏移約500mV[47]?；陂T極參量的監(jiān)測(cè)方法，可有效地避免高壓側(cè)干擾，但在門極引入的監(jiān)測(cè)裝置增加了系統(tǒng)復(fù)雜性，對(duì)裝備整體可靠性可能會(huì)帶來(lái)不利影響。

圖9 柵氧化層失效中特征參量變化規(guī)律

（3）開關(guān)時(shí)間：柵氧化層損傷導(dǎo)致CE-ON增大，IGBT芯片受到過(guò)應(yīng)力，退化加速。研究表明，關(guān)斷時(shí)間隨IGBT芯片退化程度增加而逐漸增大，在CE=600V、C=0.6A情況下，老化1 200h后的IGBT芯片關(guān)斷時(shí)間較初始狀態(tài)增大3.1μs[48]。同時(shí)，柵氧化層損傷是引發(fā)閂鎖失效的重要原因[49]，美國(guó)佐治亞理工學(xué)院D. W. Brown等發(fā)現(xiàn)，關(guān)斷時(shí)間可作為IGBT芯片閂鎖失效的早期指標(biāo)，其隨芯片退化而延長(zhǎng)[50]，因此開關(guān)時(shí)間也可應(yīng)用于柵氧層失效模式下封裝退化監(jiān)測(cè)中。由于IGBT器件的開關(guān)時(shí)間通常在μs級(jí)，為對(duì)比開關(guān)時(shí)間的微小差異，普遍需構(gòu)建大容量數(shù)據(jù)庫(kù)。Xiang Dawei等提出了一種基于壓縮感知（Compressed Sensing, CS）的開關(guān)時(shí)間采樣分析方法，在達(dá)到相同對(duì)比效果的同時(shí)，有效地壓縮了采樣數(shù)據(jù)庫(kù)大小，一定程度上降低了基于開關(guān)時(shí)間監(jiān)測(cè)方法的成本[51]。

2.3 接觸面微燒蝕失效

壓接器件內(nèi)部多采用惰性氣體作為絕緣介質(zhì)，絕緣強(qiáng)度遠(yuǎn)低于焊接器件內(nèi)部作為絕緣介質(zhì)的硅凝膠[52]。當(dāng)器件關(guān)斷時(shí)，由于器件內(nèi)部各層冷卻時(shí)間常數(shù)較兩端電極板更小，冷卻速度更快，可能出現(xiàn)層間失去接觸的現(xiàn)象，加之兩端承受高電壓，容易產(chǎn)生局部放電，造成接觸面微燒蝕，進(jìn)而導(dǎo)致器件失效，壓接型IGBT器件接觸面微燒蝕失效如圖10所示[24, 53]。由失效過(guò)程可知，局部放電是引發(fā)器件接觸面微燒蝕失效的根本原因，因此局部放電監(jiān)測(cè)是接觸面微燒蝕失效模式下封裝退化監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵。華北電力大學(xué)Fu Pengyu等基于快速示波器、局部放電探測(cè)器和紫外成像攝像機(jī)，設(shè)計(jì)了一套專用于壓接型器件的局部放電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，如圖11a所示，該系統(tǒng)主要通過(guò)脈沖電流、紫外攝像機(jī)監(jiān)測(cè)局部放電現(xiàn)象[54]。

圖10 壓接型IGBT器件接觸面微燒蝕失效

（1）脈沖電流：該方法通過(guò)測(cè)量電阻在器件接地點(diǎn)測(cè)取局部放電引起的脈沖電流，以監(jiān)測(cè)器件局部放電現(xiàn)象。Fu Pengyu等研究發(fā)現(xiàn)，隨著局部放電現(xiàn)象的發(fā)生，流經(jīng)器件的平均漏電流逐漸增大，并分析了0.1ms內(nèi)小時(shí)間尺度的漏電流波形[54]。在0.956的擊穿電壓下，漏電流幅值約為2mA，脈沖數(shù)量約為15個(gè)，而在0.978的擊穿電壓下，漏電流幅值約為2.5mA，脈沖數(shù)量約為27個(gè)，如圖11b所示。由此可見，漏電流幅值與脈沖數(shù)量隨外加電壓增加顯著上升。雖然脈沖電流法存在測(cè)量頻率低、頻帶信號(hào)窄、信息量相對(duì)較少、抗干擾能力較弱的問(wèn)題，但由于其是目前唯一具有國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的局部放電監(jiān)測(cè)方法（IEC 60270[55]），所測(cè)數(shù)據(jù)具有可比性，因此是目前局部放電監(jiān)測(cè)領(lǐng)域最為重要的方法[56]。德國(guó)MAY公司采用軟硬件相結(jié)合的消噪抗干擾技術(shù)進(jìn)一步優(yōu)化脈沖電流法，實(shí)現(xiàn)了該方法在高壓開關(guān)柜設(shè)備中的應(yīng)用，并成功研發(fā)INDIPARD局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及INDIPROT便攜式局部放電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[57]。

（2）紫外照相機(jī)：由于局部放電區(qū)域會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的光發(fā)射現(xiàn)象，因此可借助紫外照相機(jī)監(jiān)測(cè)局部放電。在文獻(xiàn)[54]中，紫外照相機(jī)增益被設(shè)定為170以獲得更佳的靈敏度，監(jiān)測(cè)到的局部放電現(xiàn)象如圖11c所示。

除了上述兩種方法外，特高頻法、超聲波法等現(xiàn)有局部放電監(jiān)測(cè)方法也可嘗試應(yīng)用于壓接器件中，西安交通大學(xué)李軍浩等[56]、沈陽(yáng)工程學(xué)院王曉文等[57]的綜述中均有詳細(xì)介紹，本文便不再介紹?，F(xiàn)有大功率IGBT器件絕緣性能監(jiān)測(cè)研究對(duì)象多為焊接器件，而對(duì)于壓接器件絕緣特性研究很少，僅有的幾項(xiàng)研究也普遍側(cè)重于壓接IGBT器件局部放電產(chǎn)生機(jī)理，目前還有待于研究局部放電對(duì)于器件封裝損傷的影響，如什么強(qiáng)度、多少時(shí)間尺度的局部放電會(huì)導(dǎo)致器件封裝退化，以及監(jiān)測(cè)指標(biāo)與封裝退化程度間存何種量化關(guān)系，而這是利用局部放電進(jìn)行接觸面微燒蝕失效模式下封裝退化監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵。

2.4 邊界翹曲失效

邊界翹曲失效主要存在于壓接多芯片器件中，由于集電極板、發(fā)射極板外接冷卻裝置，板內(nèi)外會(huì)產(chǎn)生垂直溫度梯度，板內(nèi)側(cè)熱膨脹尺寸較外側(cè)更大，致使邊界區(qū)域子模塊壓力減弱，出現(xiàn)不良接觸甚至失去接觸，進(jìn)而導(dǎo)致子模塊導(dǎo)通電流與溫度降低，而中心區(qū)域子模塊電流與溫度會(huì)進(jìn)一步上升，由此加劇板內(nèi)側(cè)熱膨脹現(xiàn)象，加速邊界翹曲失效，壓接型IGBT器件邊界翹曲失效如圖12所示[23]。從上述分析可知，邊界翹曲失效會(huì)影響器件中電流與溫度分布，中心區(qū)域子模塊會(huì)出現(xiàn)過(guò)電流、過(guò)熱現(xiàn)象，而邊緣子模塊在失去接觸的極端情況下將無(wú)電流通過(guò)，因此同微動(dòng)磨損失效模式下基于電熱不平衡性的監(jiān)測(cè)方法類似，可以通過(guò)集成溫度傳感器或羅氏線圈的方法實(shí)現(xiàn)邊界翹曲失效模式下封裝退化監(jiān)測(cè)。

器件端蓋邊緣產(chǎn)生微弱翹曲是邊界翹曲失效模式的顯著特點(diǎn)，針對(duì)這一特點(diǎn)可采用圖像識(shí)別技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。圖像識(shí)別技術(shù)采用智能算法，對(duì)圖像進(jìn)行處理、分析與理解，以識(shí)別不同的目標(biāo)和對(duì)象。目前圖像識(shí)別技術(shù)已廣泛應(yīng)用于輸電線弧垂、覆冰厚度、絕緣子掉串與裂紋監(jiān)測(cè)等輸配電裝備健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)中[58]。在機(jī)器視覺系統(tǒng)分辨率為1 600×1 200時(shí)，圖像識(shí)別監(jiān)測(cè)精度可以達(dá)到20μm，是一種高精度的在線監(jiān)測(cè)方法，因此圖像識(shí)別技術(shù)在邊界翹曲失效模式下封裝退化監(jiān)測(cè)中具有良好的應(yīng)用前景，但目前邊界翹曲量與器件封裝退化程度的關(guān)系還有待于研究。

圖12 壓接型IGBT器件邊界翹曲失效

2.5 彈簧失效

彈簧失效一般包括彈簧性能下降和門極區(qū)磨損。彈簧性能下降是指門極彈簧隨著時(shí)間推移和溫度變化出現(xiàn)應(yīng)力松弛現(xiàn)象，致使門極探針與芯片門極表面接觸不良，當(dāng)完全失去接觸后，器件將無(wú)法導(dǎo)通[59]。壓接型IGBT器件彈簧失效如圖13所示。門極區(qū)磨損是由于門極表面金屬鍍層因磨損而脫落，進(jìn)而導(dǎo)致門極探針與門極表面接觸不良，如圖13a所示。

對(duì)于單芯片器件，門極彈簧接觸不良將增加門極接觸電阻，導(dǎo)致器件開關(guān)時(shí)間、開關(guān)損耗、結(jié)溫增加，進(jìn)而導(dǎo)致ON-chip增大、彈簧所受熱應(yīng)力增加、彈簧應(yīng)力松弛速率加快，這些因素促使結(jié)溫進(jìn)一步上升形成正反饋過(guò)程，最終造成彈簧失效，如圖13b所示。彈簧失效影響門極電阻G，進(jìn)而對(duì)器件開關(guān)過(guò)程產(chǎn)生顯著影響：G越高，電壓梯度dCE/d和電流梯度dC/d越小，器件開通速度越慢，導(dǎo)通損耗越大，Infenion BSM200GB120DN2器件開關(guān)時(shí)間、開關(guān)損耗與G關(guān)系如圖13c所示。在多芯片器件中，多芯片并聯(lián)結(jié)構(gòu)使得單模組門極彈簧劣化對(duì)器件整體開關(guān)過(guò)程影響較小，門極彈簧失效初期難以評(píng)測(cè)，但隨著彈簧劣化程度不斷增加，在部分子模塊彈簧完全失效后，多芯片器件內(nèi)部重均流會(huì)導(dǎo)致電流、溫度分布發(fā)生較大變化，并導(dǎo)致剩余子模塊因過(guò)電流而過(guò)熱，進(jìn)而致使剩余子模塊彈簧受到更大熱應(yīng)力，加速?gòu)椈墒н^(guò)程，因此也可以基于集成溫度傳感器、羅氏線圈等方式監(jiān)測(cè)電流與溫度分布，實(shí)現(xiàn)多芯片器件彈簧失效模式下封裝退化監(jiān)測(cè)。

2.6 短路失效

短路失效是壓接型IGBT器件特有失效模式。對(duì)于剛性壓接封裝器件，在短路失效初始階段，芯片表面鋁鍍層在高溫、高應(yīng)力下腐蝕滲透到硅片中，形成鋁硅合金。在老化加速階段，IGBT芯片與表面鋁鍍層開始互融，形成滲透孔。隨后短路電流流入滲透孔，由于過(guò)電流現(xiàn)象致使鋁硅加速反應(yīng)，滲透孔不斷增大，最終滲透孔完全形成，器件開關(guān)不受門極信號(hào)控制，壓接型IGBT器件短路失效如圖14所示[60-61]。短路失效中特征參量變化規(guī)律如圖15所示。

圖14 壓接型IGBT器件短路失效

圖15 短路失效中特征參量變化規(guī)律

重慶大學(xué)Li Hui等采用通入過(guò)電流方法進(jìn)行壓接單芯片器件短路失效實(shí)驗(yàn)，在780μs時(shí)關(guān)斷驅(qū)動(dòng)電壓，發(fā)現(xiàn)在關(guān)斷后約40μs內(nèi)，器件電流急速上升，導(dǎo)通電流從0迅速上升至600A以上，其兩端導(dǎo)通壓降從380V急速下降為0，如圖15a所示；隨后構(gòu)建了壓接型IGBT器件短路失效模型研究短路失效過(guò)程中關(guān)鍵參量的變化，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)通壓降、芯片平均結(jié)溫、導(dǎo)通電阻等參量在短路失效過(guò)程中逐漸降低，而熱阻幾乎沒有變化，如圖15b所示[61]。在壓接多芯片器件中，當(dāng)某一子模塊出現(xiàn)短路失效時(shí)，器件開關(guān)將不受門極控制，流經(jīng)多芯片器件的電流將全部集中于短路芯片，其電流不平衡程度將遠(yuǎn)高于微動(dòng)磨損失效和邊界翹曲失效模式。

2.7 開路失效

壓接型IGBT器件短路失效后，短路部位將承擔(dān)器件全部電流，鋁硅合金將進(jìn)一步與鉬片相互作用，形成各種金屬間化合物，導(dǎo)致電導(dǎo)率下降、耗散功率增加、溫度急劇上升，材料受高溫發(fā)生消融，最終導(dǎo)致器件開路失效[62]，壓接型IGBT器件開路失效如圖16所示。目前對(duì)于開路失效監(jiān)測(cè)的研究主要從器件與電力系統(tǒng)兩個(gè)層面開展。

在器件層面，開路失效表現(xiàn)為器件不受門極控制，正向最大電壓在集電極上，且失效過(guò)程中溫度極高。重慶大學(xué)姚然對(duì)已短路失效的壓接單芯片器件進(jìn)行短路耐久性測(cè)試，發(fā)現(xiàn)開路失效導(dǎo)致ON急劇上升至0.1W以上，結(jié)溫從120℃上升至約300℃，并產(chǎn)生30℃左右波動(dòng)，如圖16c所示[63]。中車時(shí)代電氣Wang Zhen等通過(guò)預(yù)置故障子模塊方式進(jìn)行壓接多芯片器件短路耐久實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)子模塊從短路失效演化到開路失效過(guò)程中出現(xiàn)燃燒并熔化，導(dǎo)致ON增大、CE-ON上升，如圖16d所示[64]。

在電力系統(tǒng)層面，主要通過(guò)IGBT器件開路失效后電力系統(tǒng)參量變化實(shí)現(xiàn)故障診斷與定位。華南理工大學(xué)郭彥勛等以橋臂電流為觀測(cè)量搭建滑膜觀測(cè)器，實(shí)現(xiàn)模塊化多電平變換器（Modular Multilevel Converter, MMC）子模塊中IGBT開路故障快速診斷，以MMC子模塊電容電流理論值與實(shí)際值比值，實(shí)現(xiàn)故障定位[65]。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)韓麗等以變流器輸出電壓直流量幅值和奇偶次諧波相位為特征參量，實(shí)現(xiàn)H橋變流器中IGBT開路故障診斷[66]。但現(xiàn)有方法大多基于IGBT器件已開路失效后的電路特征進(jìn)行診斷，尚不能實(shí)現(xiàn)開路失效預(yù)警，一旦器件開路失效將對(duì)電力裝備安全產(chǎn)生重大影響，是一種危害極大的失效形式，因此需進(jìn)一步研究IGBT器件短路失效演化到開路失效過(guò)程中電力系統(tǒng)參量變化規(guī)律，確保在IGBT器件開路失效前預(yù)警并及時(shí)更換。

3 封裝退化監(jiān)測(cè)方法展望

3.1 封裝退化表征及評(píng)估方法展望

特征參量受多種封裝失效模式影響且對(duì)各種封裝失效模式靈敏度不同，如何基于特征參量變化規(guī)律辨識(shí)封裝失效模式即封裝退化表征問(wèn)題是封裝退化監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵。同時(shí)，一種封裝失效模式也會(huì)影響多個(gè)特征參量，如何充分利用多特征參量信息以綜合評(píng)估封裝退化程度是封裝退化監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)。

在封裝退化表征方面，現(xiàn)有研究的對(duì)象多為焊接型IGBT器件，如美國(guó)北卡羅萊納州立大學(xué)A. Singh等發(fā)現(xiàn)導(dǎo)通壓降上升20%，鍵合線脫落失效[67]。重慶大學(xué)陳民鈾等發(fā)現(xiàn)熱阻上升約0.027K/W，焊料層老化程度達(dá)5.2%[68]；最高結(jié)溫增加5.1℃，焊料層空洞率達(dá)50%[69]等。而目前尚未有關(guān)于壓接型IGBT器件特征參量與封裝退化關(guān)聯(lián)機(jī)制研究的報(bào)道，僅可基于失效機(jī)理得出，在短路失效中電流不平衡程度較微動(dòng)磨損失效和邊界翹曲失效更高、開路失效中結(jié)溫較微動(dòng)磨損失效中更高等結(jié)論。因此尚需研究壓接型IGBT器件封裝退化過(guò)程中各個(gè)特征參量變化規(guī)律，分析特征參量與封裝失效模式間的靈敏度關(guān)系，揭示特征參量與封裝退化的關(guān)聯(lián)機(jī)制。

在封裝退化評(píng)估方面，為綜合評(píng)定某一失效模式下的封裝退化程度，需尋求一種能充分利用多特征參量信息的評(píng)估方法。證據(jù)理論是一種處理多類證據(jù)信息融合問(wèn)題的不確定性推理方法，目前已在輸變電設(shè)備[70]、風(fēng)電設(shè)備[71]等電力裝備狀態(tài)評(píng)估中應(yīng)用，該方法中每個(gè)評(píng)估指標(biāo)將被看作為一個(gè)證據(jù)體，可在不依賴于權(quán)重確定情況下，處理隨機(jī)性和模糊性導(dǎo)致的不確定性問(wèn)題，較傳統(tǒng)基于確定權(quán)重的評(píng)估方法更能適應(yīng)壓接型IGBT器件特征參量多、相互耦合關(guān)系復(fù)雜的特點(diǎn)，為建立多特征參量融合的封裝退化評(píng)估方法提供新思路。

3.2 非接觸式監(jiān)測(cè)發(fā)展趨勢(shì)

現(xiàn)有針對(duì)壓接型IGBT器件封裝退化監(jiān)測(cè)方法大多需通過(guò)外加接觸式設(shè)備或內(nèi)置傳感器方式采集封裝退化特征參量，而附加設(shè)備會(huì)給電力裝備可靠性帶來(lái)不確定因素，因此非接觸式監(jiān)測(cè)方法成為近年來(lái)功率器件監(jiān)測(cè)領(lǐng)域研究熱點(diǎn)。

印度理工學(xué)院R. Biswas等對(duì)比了不同退化程度IGBT器件電磁輻射（Electromagnetic Radiation, EMR）信號(hào)功率譜，發(fā)現(xiàn)由于器件退化過(guò)程中關(guān)斷時(shí)間延長(zhǎng)，導(dǎo)致EMR信號(hào)減弱，提出可將EMR峰值作為器件退化特征參量，不同過(guò)載時(shí)間IGBT器件電磁輻射功率譜如圖17所示[72]。隨后又提出了一種基于均勻線性陣列傳感器的電磁輻射定位方法，該方法采用ESPRIT算法估算角度，MUSIC算法估算距離，進(jìn)而通過(guò)球面坐標(biāo)系定位電磁輻射點(diǎn)，并提出以“（電磁輻射峰值-健康狀態(tài)電磁輻射峰值）/標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間”作為器件退化程度定量分析指標(biāo)，當(dāng)該指標(biāo)達(dá)到95%時(shí)即需更換IGBT器件[73]。

圖17 不同過(guò)載時(shí)間IGBT器件電磁輻射功率譜

芬蘭拉普蘭塔理工大學(xué)T. J. Karkkainen等發(fā)現(xiàn)焊接型IGBT器件在開關(guān)瞬態(tài)過(guò)程中存在聲發(fā)射現(xiàn)象[74]，隨后采用多種類型的聲發(fā)射傳感器在器件開關(guān)瞬間獲取了非平穩(wěn)聲發(fā)射信號(hào)[75]，并測(cè)量了多個(gè)IGBT器件的聲信號(hào)進(jìn)行對(duì)比分析，認(rèn)為聲發(fā)射現(xiàn)象可能由兩種不同的物理機(jī)制引發(fā)[76]。德國(guó)開姆尼茨工業(yè)大學(xué)S. Muller等認(rèn)為聲發(fā)射現(xiàn)象是由焊料層熱脹冷縮所引發(fā)，通過(guò)對(duì)不同老化程度IGBT器件聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行頻域分析，發(fā)現(xiàn)其聲發(fā)射信號(hào)頻譜不同，如圖18所示，提出焊料層老化導(dǎo)致聲阻抗增加進(jìn)而致使部分頻率幅值改變的可能性[77]。

圖18 不同老化程度IGBT器件聲發(fā)射信號(hào)頻譜

基于電磁場(chǎng)及聲場(chǎng)的監(jiān)測(cè)方法是近年來(lái)提出的新方法，僅需數(shù)個(gè)傳感器即可實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)與定位，其經(jīng)濟(jì)性較好、靈敏度高、不存在侵入式測(cè)量設(shè)備，且易于實(shí)現(xiàn)在線評(píng)估。在壓接型IGBT器件柵氧化層失效、彈簧失效、短路失效等失效模式中，器件開關(guān)特性均會(huì)受到影響，因此基于EMR的監(jiān)測(cè)方法也適用于部分失效模式下壓接器件封裝退化監(jiān)測(cè)中。在接觸面微燒蝕失效模式中，局部放電會(huì)伴隨聲發(fā)射現(xiàn)象，因此基于聲發(fā)射的監(jiān)測(cè)方法可適用于接觸面微燒蝕失效模式下封裝退化監(jiān)測(cè)中。但目前存在如下問(wèn)題：

（1）現(xiàn)有基于聲發(fā)射的監(jiān)測(cè)方法研究對(duì)象主要為焊接型IGBT器件，鮮有對(duì)壓接型IGBT器件的研究，且由于封裝結(jié)構(gòu)不同，壓接器件與焊接器件的聲發(fā)射機(jī)理不同。在壓接器件中，有可能是器件內(nèi)部電-熱-機(jī)交變復(fù)合應(yīng)力作用于部件所引發(fā)，也有可能是接觸面微燒蝕失效模式中局部放電所引發(fā)，因此尚需對(duì)壓接器件中聲發(fā)射機(jī)理作進(jìn)一步研究，并需要通過(guò)模擬分析失效演化全過(guò)程，得到封裝退化過(guò)程中聲發(fā)射信號(hào)的變化規(guī)律。

（2）現(xiàn)有研究尚未考慮實(shí)際工況中復(fù)雜的電磁環(huán)境及噪聲影響，如何從強(qiáng)干擾信號(hào)中分離出特征信號(hào)是一個(gè)值得深入研究的問(wèn)題，時(shí)頻分析中常用的極性鑒別法、基于傅里葉變換的閾值濾波法以及基于小波變換的閾值濾波法等方法均在去除噪聲方面具有良好效果，可為在實(shí)際工況中分離特征信號(hào)提供研究思路。

3.3 高靈敏度監(jiān)測(cè)發(fā)展趨勢(shì)

現(xiàn)有壓接型IGBT器件可靠性研究中，大部分實(shí)驗(yàn)均采用導(dǎo)通電阻、導(dǎo)通壓降、平均結(jié)溫、結(jié)殼熱阻等特征參量作為封裝退化監(jiān)測(cè)指標(biāo)，在大規(guī)模芯片并聯(lián)的壓接IGBT器件中，多芯片并聯(lián)存在均流與均熱的問(wèn)題，致使上述指標(biāo)在壽命中早期變化很小，但在壽命末期突變，并不能準(zhǔn)確反映全壽命周期的封裝退化情況，因此亟需一種高靈敏度且可以準(zhǔn)確測(cè)評(píng)全壽命周期中封裝退化程度的監(jiān)測(cè)方法。

主動(dòng)式測(cè)評(píng)方法一般采用外部注入信號(hào)方式，通過(guò)響應(yīng)分析進(jìn)行封裝退化評(píng)估，普遍具有較高的靈敏度。如頻率響應(yīng)法（Frequency Response Analysis, FRA）對(duì)細(xì)微機(jī)械應(yīng)變靈敏度高，曾廣泛應(yīng)用于變壓器檢測(cè)中[78]，重慶大學(xué)周雒維等首次將FRA應(yīng)用于焊接型IGBT器件封裝退化測(cè)評(píng)中，通過(guò)在門極與發(fā)射極輔助端間注入0～2.2MHz掃頻信號(hào)并測(cè)量集射極間響應(yīng)信號(hào)，即可準(zhǔn)確辨識(shí)鍵合線失效特征[79]。重慶大學(xué)姚陳果等通過(guò)向焊接型IGBT器件集射極間注入短時(shí)高壓脈沖并測(cè)量門射極間響應(yīng)電壓，進(jìn)行響應(yīng)電壓幅值以及邊沿振蕩波形數(shù)據(jù)分析，在1μs內(nèi)便能對(duì)器件封裝退化程度快速評(píng)測(cè)，可準(zhǔn)確辨識(shí)鍵合線失效根數(shù)上的差異[80]。美國(guó)密蘇里大學(xué)A. Hanif等提出了一種基于擴(kuò)頻時(shí)域反射（Spread Spectrum Time Domain Reflectometry, SSTDR）法的封裝退化測(cè)評(píng)方法，其主要利用注入電信號(hào)的反射信號(hào)特征進(jìn)行測(cè)評(píng)，通過(guò)對(duì)兩個(gè)器件加速老化前后SSTDR信號(hào)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)器件失效后SSTDR信號(hào)較初始狀態(tài)分別下降5.53%與5.33%[81]。

主動(dòng)式測(cè)評(píng)方法靈敏度高，可以反映出全壽命周期中器件封裝退化程度。針對(duì)壓接多芯片器件內(nèi)部重新均流與均熱致使端部參量不能有效表征封裝退化的問(wèn)題，運(yùn)用主動(dòng)式測(cè)評(píng)方法是解決該問(wèn)題的一種研究思路。目前尚需對(duì)壓接器件寄生參數(shù)等效電路、等效網(wǎng)絡(luò)模型以及其寄生參數(shù)、導(dǎo)通電阻的退化規(guī)律進(jìn)行研究，以獲取其頻率響應(yīng)、脈沖響應(yīng)及擴(kuò)頻時(shí)域反射特征。同時(shí)，目前主動(dòng)式測(cè)評(píng)方法大多僅能在離線檢測(cè)中使用，如何將其運(yùn)用于在線監(jiān)測(cè)中也是一個(gè)值得深入研究的問(wèn)題。

4 結(jié)論

本文系統(tǒng)分析了壓接型IGBT器件不同封裝失效模式及對(duì)應(yīng)的封裝退化監(jiān)測(cè)方法，為可靠性測(cè)試研究、工程應(yīng)用提供參考。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有監(jiān)測(cè)方法的分析，提出壓接型IGBT器件封裝退化監(jiān)測(cè)的研究重點(diǎn)如下：

1）壓接多芯片IGBT器件內(nèi)部參量分布監(jiān)測(cè)：端部參量不能有效反映器件內(nèi)部參量的分布情況，而器件內(nèi)部壓力、溫度、電流分布特征是封裝退化的重要表征，如何監(jiān)測(cè)壓接多芯片器件內(nèi)部參量分布將是未來(lái)研究重點(diǎn)。

2）壓接多芯片IGBT器件封裝退化表征：特征參量與封裝退化的關(guān)聯(lián)機(jī)制是封裝退化監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵，目前對(duì)壓接多芯片IGBT器件封裝失效機(jī)制認(rèn)知有限，如何模擬封裝失效演化全過(guò)程，分析特征參量與封裝失效模式間的靈敏度關(guān)系，揭示特征參量與封裝退化的關(guān)聯(lián)機(jī)制將是未來(lái)研究重點(diǎn)。

3）非接觸式封裝退化監(jiān)測(cè)方法：現(xiàn)有監(jiān)測(cè)方法主要通過(guò)采集器件端部參量或測(cè)量?jī)?nèi)部參量分布的方式實(shí)現(xiàn)封裝退化監(jiān)測(cè)，存在冗雜的附加設(shè)備與侵入式設(shè)備，而基于電磁場(chǎng)、聲場(chǎng)等物理場(chǎng)的非接觸式監(jiān)測(cè)方法附加設(shè)備少，便于實(shí)現(xiàn)在線評(píng)估，將是未來(lái)研究熱點(diǎn)。

4）高靈敏度封裝退化監(jiān)測(cè)方法：目前常用的基于端部參量和熱參量的監(jiān)測(cè)方法對(duì)多芯片器件封裝退化中早期靈敏度不佳，頻率響應(yīng)、脈沖響應(yīng)、擴(kuò)頻時(shí)域反射等方法具有高靈敏度，但尚未能實(shí)現(xiàn)在線測(cè)評(píng)，如何實(shí)現(xiàn)高靈敏度封裝退化監(jiān)測(cè)將是未來(lái)研究重點(diǎn)。

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Review on Package Degradation Monitoring Methods of Press-Pack IGBT Modules

（State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Security and New Technology Chongqing University Chongqing 400044 China）

Press-pack IGBT modules are the basic core modules of large-capacity power electronic equipment in the smart grid. Therefore, their reliability is directly related to operation safety of equipment and power grid. Package failure is the main failure mode of press-pack IGBT modules, and package degradation monitoring is the key to achieve fault diagnosis, state prediction, and intelligent operation and maintenance. The existing research is focusing on the package degradation monitoring of traditional wire-bond IGBT modules. This paper took press-pack IGBT modules as the research object, and firstly introduced the packaging structure of press-pack IGBT modules. Then, seven kinds of package failure modes including fretting wear failure, gate-oxide failure, contact surfaces micro eroding failure, lids warping failure, short-circuit failure, open-circuit failure, and corresponding package degradation monitoring methods were systematically analyzed, and the problems of the existing monitoring methods were proposed. Finally, new ideas for package degradation monitoring of press-pack IGBT modules were proposed from the three aspects of packaging degradation characterization and evaluation, non-contact monitoring, and high-sensitivity monitoring.

Press-pack IGBT, package degradation monitoring, failure modes, reliability

TM23; TM930

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.201437

國(guó)家自然科學(xué)基金-智能電網(wǎng)聯(lián)合基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目（U1966213）。

2020-11-01

2021-01-20

李 輝 男，1973年生，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娏﹄娮悠骷?yīng)用與可靠性、風(fēng)力發(fā)電技術(shù)、特種電機(jī)設(shè)計(jì)。E-mail: cqulh@163.com（通信作者）

劉人寬 男，1996年生，博士研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮悠骷?yīng)用與可靠性。E-mail: cqulrk@163.com

（編輯 陳 誠(chéng)）