軌道交通牽引用IGBT熱疲勞可靠性研究

張曉 林珍君 李華 周望君

關(guān)鍵詞：IGBT;熱疲勞;沸騰冷卻;功率循環(huán);熱循環(huán)

0引言

牽引變流器的核心是功率模塊IGBT，IGBT的可靠性直接影響到列車的可靠運(yùn)行，軌道交通牽引系統(tǒng)的IGBT故障占功率模塊總故障的80%以上，IGBT的可靠性是研究牽引變流器可靠性的基礎(chǔ)。IGBT的可靠性應(yīng)用和功率器件應(yīng)用的精細(xì)設(shè)計(jì)能力，是提高軌道交通車輛運(yùn)營(yíng)穩(wěn)定性的重要因素和緊迫挑戰(zhàn)。

1功率器件

軌道交通牽引系統(tǒng)用功率器件經(jīng)歷了不可控器件、半控型器件、全控型器件的發(fā)展歷程，IGBT作為全控型電力電子器件的代表，具有開關(guān)速度快、開關(guān)損耗小、耐脈沖電流能力強(qiáng)、通態(tài)壓降低、驅(qū)動(dòng)功率小等優(yōu)點(diǎn)[1]，是當(dāng)前軌道交通牽引變流器實(shí)現(xiàn)功率變換的首選和核心器件。

本文以某高速動(dòng)車組牽引變流器IGBT失效為例，進(jìn)行了失效機(jī)理、失效分析，確定了熱應(yīng)力過大是導(dǎo)致器件失效的主要原因，并研制了新型高效沸騰式散熱器，有效的解決了熱應(yīng)力過大的問題。

2功率器件失效機(jī)理

IGBT是基于特定目的的多種材料組合設(shè)計(jì)制造出來(lái)的，屬于典型的異質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu)，其完整電器功能的實(shí)現(xiàn)直接依賴于結(jié)構(gòu)的完整性。

IGBT器件是由不同材料組成的“三明治”多層堆疊結(jié)構(gòu)，不同材料熱膨脹率（CTE）存在差異[2]，具體如下圖1和表1所示，IGBT在應(yīng)用過程中存在各種應(yīng)力循環(huán)，從而影響IGBT器件應(yīng)用可靠性，國(guó)內(nèi)外公司及機(jī)構(gòu)關(guān)于IGBT或半導(dǎo)體器件的可靠性研究表明，IGBT器件失效的主要原因分為器件功率循環(huán)（Power Cycle）失效和溫度循環(huán)（Thermal Cycle）失效。功率循環(huán)主要考驗(yàn)IGBT器件承受大電流下的電和熱應(yīng)力的能力，考核引線互聯(lián)及芯片焊層的可靠性，對(duì)應(yīng)失效特征為如圖1-1中（a）所示的綁定線的剝離;溫度循環(huán)考驗(yàn)IGBT器件承受大的溫差循環(huán)的能力，器件內(nèi)部熱應(yīng)力與機(jī)械應(yīng)力的同步作用，考核各焊接層的可靠性，對(duì)應(yīng)失效特征為如圖1中（b）中所示的焊料層開裂。

Ss=LmΔα·ΔT/2φ0Ws

Δα為芯片與焊料層膨脹系數(shù)差異，ΔT功率循環(huán)過程中焊料層溫度差。

焊層疲勞失效[3]主要是熱膨脹系數(shù)不同產(chǎn)生的熱應(yīng)變導(dǎo)致的，熱應(yīng)變會(huì)在焊料層產(chǎn)生位移形變和剪切形變，導(dǎo)致在焊接位置處產(chǎn)生裂紋或使，這種形變反復(fù)作用后，焊料層就會(huì)產(chǎn)生疲勞，進(jìn)而產(chǎn)生龜裂，IGBT焊料層所能承受的功率循環(huán)次數(shù)如下式所示[4]：

Np=Aexp（2φ0Ws/ΔαΔT）

A、φ0是與焊料層結(jié)構(gòu)相關(guān)的常數(shù)，Ws為焊料層厚度。

通過上式可以看出，熱膨脹系數(shù)差異越大、焊料層溫差越高，焊料層所承受的熱切應(yīng)應(yīng)變?cè)酱?，焊料層疲勞速度越快，進(jìn)而導(dǎo)致焊料層分層、空洞和裂縫，導(dǎo)致熱阻增大、結(jié)溫升高，IGBT的耐循環(huán)次數(shù)越少，達(dá)到材料的疲勞極限后就會(huì)引起器件失效。

3功率器件IGBT模塊熱設(shè)計(jì)

IGBT產(chǎn)生的損耗主要通過熱傳導(dǎo)傳遞給散熱器散去熱量，IGBT由芯片、焊料層、DBC焊層等多層結(jié)構(gòu)焊接基板上，芯片溫度最高，散熱器溫度最低，從芯片到散熱器的溫度由高到底形成一定的溫度梯度分布。

IGBT廠家都會(huì)根據(jù)每個(gè)功率器件半導(dǎo)體產(chǎn)品的物理特性，設(shè)定一個(gè)最大結(jié)溫（Tjmax），如果運(yùn)行結(jié)溫（Tjop）超過這個(gè)最大結(jié)溫就可能發(fā)生熱損壞。IGBT的熱安全工作區(qū)是基于對(duì)IGBT模塊的損耗和熱分析，確定的牽引變流器可安全長(zhǎng)期運(yùn)行的最大區(qū)域。對(duì)于150℃最大允許結(jié)溫的功率器件來(lái)說，基于結(jié)溫的熱安全工作區(qū)（TSOA-Tj）是在最惡劣情況下，IGBT的最大運(yùn)行結(jié)溫（Tjop（max））比最大結(jié)溫（Tjmax）低25℃以上，數(shù)字表達(dá)式如下：

其中Tjmax為功率器件能夠承受的最大允許結(jié)溫，Tjop_max為最大運(yùn)行結(jié)溫。

4功率器件失效分析

4.1失效現(xiàn)象

某高速動(dòng)車組牽引變流器功率模塊IGBT器件隨著運(yùn)營(yíng)里程的增長(zhǎng)，失效率逐步增加，統(tǒng)計(jì)模塊IGBT一個(gè)高級(jí)修程周期內(nèi)的故障率，IGBT在高級(jí)修的中后期故障率明顯增大，且和運(yùn)用時(shí)間呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)。

現(xiàn)場(chǎng)失效的IGBT外觀未發(fā)生異常，對(duì)失效IGBT進(jìn)行絕緣測(cè)量，IGBT的CE兩極電阻值低于規(guī)定值，拆解IGBT到內(nèi)部芯片底層，發(fā)現(xiàn)IGBT的集電極母排引腳位置發(fā)黑，其他位置完好，見圖2所示。

熱膨脹系數(shù)的不同和熱應(yīng)力大使焊料層承受較大的熱應(yīng)變，在母排引腳位置的焊料層產(chǎn)生如圖3所示的分層和裂紋，在分層和裂紋位置處容易出現(xiàn)熱應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致引腳位置熱阻增大和運(yùn)行結(jié)溫升高，當(dāng)溫度過高時(shí)會(huì)導(dǎo)致引腳位置脫落和引腳周邊硅膠碳化發(fā)黑，從而引起IGBT器件疲勞失效。

IGBT所使用的散熱器為熱管式散熱器，熱管是相變傳熱，熱管散熱器是由各個(gè)獨(dú)立T型熱管、翅片和基板組成， 各獨(dú)立T型熱管間冷卻介質(zhì)不能互相流通。獨(dú)立的T型熱管分為水平熱管和豎直熱管，水平熱管吸收IGBT產(chǎn)生的熱量，水平熱管內(nèi)的工質(zhì)由液態(tài)變?yōu)檎羝仙巾敳?，豎直熱管安裝有散熱片，在冷卻風(fēng)作用下豎直熱管內(nèi)蒸汽冷卻變?yōu)橐后w下落到豎直熱管，形成循環(huán)換熱，熱管式散熱器工作原理如下：

在額定工況下，溫升結(jié)果如下：

根據(jù)元件內(nèi)部溫升為Tc-j=30K， 在40℃環(huán)境溫度條件下，全新熱管散熱器功率模塊IGBT最大結(jié)溫為124.5℃，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行六年未清潔的功率模塊IGBT最大結(jié)溫為131℃，功率器件最大運(yùn)行結(jié)溫均未超過最大允許結(jié)溫Tjmax（150℃），但從牽引系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行的熱安全工作區(qū)來(lái)看，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的未清潔散熱器功率模塊最惡劣工況時(shí)功率器件超過了熱設(shè)計(jì)安全工作區(qū)，功率器件在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后導(dǎo)致可靠性有所降低，進(jìn)而故障率增加。

5新型高效沸騰式散熱器的研制

針對(duì)當(dāng)前所使用的熱管式散熱器功率模塊溫升高和現(xiàn)場(chǎng)服役后余量不足問題，開發(fā)了新型高效的沸騰式散熱器，選用全新工質(zhì)和全新工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)，國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了沸騰式散熱器開發(fā)。

沸騰式散熱器工作原理如下圖所示，當(dāng)功率模塊工作時(shí)基板受熱，基板內(nèi)工質(zhì)吸收熱量發(fā)生相變成為蒸汽，蒸汽通過熱管通道傳至芯體中的導(dǎo)熱管，將熱量由基板傳至導(dǎo)熱管的冷凝段。在冷凝段中的蒸汽與外界發(fā)生熱交換冷凝為液態(tài)工質(zhì)回流到散熱器基板中的蒸發(fā)段，開始下一個(gè)循環(huán)。

6結(jié)束語(yǔ)

文章通過對(duì)軌道交通牽引系統(tǒng)功率器件的失效分析，從器件熱設(shè)計(jì)、熱安全工作區(qū)和失效機(jī)理多方面研究，確定了導(dǎo)致功率器件失效的主要原因，通過全新和服役的功率器件熱疲勞可靠性試驗(yàn)對(duì)器件失效進(jìn)行了驗(yàn)證，針對(duì)溫升高導(dǎo)致的熱疲勞問題，國(guó)內(nèi)首次開發(fā)了新型高效沸騰式散熱器，目前已實(shí)現(xiàn)批量產(chǎn)品150萬(wàn)公里無(wú)故障運(yùn)營(yíng)。

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基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目（2018YFB1201800）