IGBT 可靠性與壽命評估研究

范 學， 王 勝， 鄭珂珂， 梁 鵬， 趙明芳

（比亞迪汽車工業(yè)有限公司， 廣東 深圳 518118）

IGBT是能源變換與傳輸?shù)暮诵钠骷?俗稱電力電子裝置的“CPU”。在新能源汽車中，IGBT直接控制驅(qū)動系統(tǒng)直、交流電的轉(zhuǎn)換，決定了車輛的扭矩和最大輸出功率等，是汽車動力總成系統(tǒng)的“心臟”。在新能源汽車中大量使用了IGBT功率器件，例如：電控、OBC、空調(diào)系統(tǒng)及充電樁等，如圖1所示。據(jù)統(tǒng)計，IGBT等功率器件占到整車成本的7%～10%。

圖1 IGBT功率器件在新能源汽車上的應用

在電機控制器中，IGBT將動力電池的高壓直流電轉(zhuǎn)換為驅(qū)動三相電機的交流電，為電機提供動力。在汽車運行過程中，啟停、頻繁加減速等會使IGBT模塊功率發(fā)生變化，IGBT結溫也會隨之不斷循環(huán)變化，溫度變化產(chǎn)生的熱應力會使模塊內(nèi)部焊層之間產(chǎn)生蠕變熱疲勞或失效。因此，IGBT模塊的結溫變化是影響其工作壽命與可靠性的主要因素。本文采用熱敏感電參數(shù)法提取IGBT結溫，并結合CLTC等試驗工況得出對應結溫曲線，通過雨流分析、Miner線性累積損傷準則等分析和評估整車壽命周期內(nèi)IGBT模塊的熱疲勞壽命，提出在總成級試驗中進行IGBT加速試驗的可行性方案。

1 IGBT概述

1.1 什么是IGBT？

IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極型晶體管） 是由雙極結型晶體管（BJT） 和金屬-氧化物-半導體場效應晶體管（MOSFET） 復合而成的結構，如圖2所示。它結合了兩者的優(yōu)點，具有輸入阻抗高、功耗小、熱穩(wěn)定性好、驅(qū)動簡單、載流密度大、通態(tài)壓降低等優(yōu)勢。

圖2 IGBT簡化等效電路

1.2 IGBT的結構

IGBT由芯片、覆銅陶瓷襯底、基板、散熱器等通過焊接而成，如圖3所示。

圖3 IGBT的結構

1.3 IGBT的熱特性

熱特性是IGBT功率器件的靈魂。芯片工作產(chǎn)生的熱量通過不同的介質(zhì)、界面?zhèn)鬟f到散熱器，將熱量散出，傳遞路徑的熱阻用Rthjc來表示，如圖4所示。

圖4 IGBT熱傳遞

IGBT模塊的發(fā)熱主要來源于功率損耗。功率損耗包括IGBT損耗和FWD損耗，其又分為開關損耗和導通損耗，如圖5所示。功率損耗與電流Ic、飽和壓降Vce、開關頻率等多因素有關。

圖5 IGBT導通損耗和開關損耗示意圖

2 IGBT可靠性要求

2.1 IGBT模塊可靠性要求

對于車規(guī)級IGBT模塊，由于使用環(huán)境嚴酷，工況復雜，壽命要求高，因此對IGBT模塊性能和可靠性提出了越來越高的要求，如圖6所示。

圖6 IGBT模塊可靠性要求

2.2 電控總成可靠性試驗現(xiàn)狀

據(jù)統(tǒng)計，IGBT損壞引起的故障占電控售后問題的首位，是電控總成的短板。根據(jù)“木桶”原理，解決IGBT失效問題對于降低電控總成失效率非常重要。但是，目前電控總成可靠性試驗主要參考707企標，沒有考慮功率器件產(chǎn)品自身發(fā)熱引起的溫度變化，也沒有考慮冷卻液循環(huán)帶來的溫度穩(wěn)定，比較適用于低壓電氣產(chǎn)品可靠性試驗，對功率器件產(chǎn)品不適用。如何在電控總成試驗中加速IGBT的老化磨損將是我們需要重點研究的課題。電控問題統(tǒng)計柏拉圖如圖7所示。

圖7 電控問題統(tǒng)計柏拉圖

2.3 IGBT模塊可靠性試驗

對于車規(guī)級IGBT模塊，AQG 324、QC/T 1136等標準對可靠性均有相關要求。以QC/T 1136為例，IGBT模塊可靠性包括芯片可靠性和封裝可靠性，如表1所示。

表1 IGBT可靠性試驗

2.3.1 功率循環(huán)試驗（主動）

1） 功率循環(huán)試驗(PCsec/PCmin)：檢驗綁定線與芯片的連接點可靠性以及芯片與DCB焊接層的可靠性。功率循環(huán)試驗（PCsec） 曲線如圖8所示。

圖8 功率循環(huán)試驗 （PCsec） 曲線

2） 功率循環(huán)(PCmin)：檢驗綁定線與芯片的連接點可靠性，芯片與DCB焊接層的可靠性以及DCB與Baseplate焊接層的可靠性。

2.3.2 溫度循環(huán)/沖擊試驗（被動）

溫度循環(huán)(TC)：從Baseplate底部緩慢加熱整個封裝，檢驗具有不同熱膨脹系數(shù)的材料之間連接的可靠性。熱膨脹系數(shù)如圖9所示。

圖9 熱膨脹系數(shù)

2.4 IGBT模塊失效模式

IGBT模塊失效主要分為機械失效和電氣失效，其中機械失效包括綁定線、焊接層及封裝/端子的老化所造成的使用壽命終結，其主要是由功率循環(huán)產(chǎn)生結溫變化引起。此外，還包括過壓、過流、其它因素（如氣候變化、化學腐蝕） 所造成的失效，如圖10所示。

圖10 IGBT模塊的失效模式

IGBT失效同樣適用可靠性“浴盆”曲線，在不同階段呈現(xiàn)不同表現(xiàn)形式，如圖11所示。

圖11 浴盆曲線及失效原因

本文重點研究耗損失效中由于熱機械應力導致的IGBT失效，而這一部分正是IGBT耐久失效的主要原因。IGBT耗損失效如圖12所示。

圖12 IGBT耗損失效

3 IGBT使用壽命分析與評估

3.1 研究思路

根據(jù)IGBT失效模式可知，結溫變化是影響其使用壽命的主要因素。評估IGBT的使用壽命就需要首先獲得其在用戶工況下的結溫曲線，然后結合IGBT功率循環(huán)壽命曲線，應用累積損傷理論評估IGBT的使用壽命，具體分析步驟如圖13所示。這其中主要關鍵點及難點如下所述。

圖13 研究思路

1） 用戶代表工況選取，目前采用NEDC或者CLTC工況。

2） 工況中結溫測量和結溫曲線的獲取，實車中很難通過布置傳感器的方案來直接獲取結溫曲線。目前有兩種可行方法：一種是通過計算功率損耗，結合熱仿真模型獲得；另一種是通過間接的熱敏感電參數(shù)法獲取相應的結溫曲線，詳見3.3.2分析。

3） 溫度分布：采用雨流法分析。

4） IGBT壽命曲線，一般由IGBT模塊廠家提供。

5） 壽命評估，使用溫度分布數(shù)據(jù)和IGBT壽命曲線結合損傷理論進行壽命評估。

3.2 IGBT結溫測試的幾種方法

3.2.1 物理接觸測量法

把熱敏電阻或熱電偶等測溫元器件焊接于IGBT內(nèi)部，從而獲取模塊內(nèi)部基板的溫度。測試方便但存在較大測量誤差，如圖14所示。

圖14 熱敏電阻測量法

3.2.2 光學非接觸測量法

先將IGBT模塊打開，除去透明硅脂，然后將IGBT芯片表面涂黑，以提高溫度測量準確性，最后通過熱像儀等采用紅外熱成像方法測試結溫。屬于破壞性測量方法，如圖15所示。

圖15 光學非接觸測量法

3.2.3 熱敏感電參數(shù)法

利用半導體功率器件內(nèi)部微觀物理參數(shù)與器件溫度具有一一對應的映射關系，將芯片本身作為溫度傳感部件，將其自身難測的內(nèi)部溫度信息反映在模塊外部易測的電氣信號上，對芯片結溫進行逆向提取，如圖16所示。

圖16 熱敏感電參數(shù)法

3.3 試驗方案

3.3.1 任務曲線建立

為了保證IGBT模塊使用壽命的可比性，通常采用標準的駕駛循環(huán)作為基本工況。國內(nèi)一般采用NEDC（New European Driving Cycle，新標歐洲循環(huán)測試） 或CLTC（China Light-duty Vehicle Test Cycle，中國輕型汽車行駛工況） 作為基本工況。以CLTC工況為例，采集電機控制器在此工況下的電壓電流值，如圖17所示。

圖17 電機控制器CLTC工況下電壓電流譜

3.3.2 結溫曲線

本文采用熱敏感電參數(shù)法反推獲得IGBT模塊在CLTC工況下的結溫曲線。

1） 溫度系數(shù)（K-factor） 測試

參考JESD51-1《集成電路熱測試方法》測試K系數(shù)。測試步驟如下：設定好溫度環(huán)境TL0，當器件外殼溫度穩(wěn)定時給IGBT模塊施加小電流（10mA） 記錄集電極和發(fā)射極間壓降大小VL0，然后將環(huán)境溫度升高到THi，按上述要求記錄此時壓降。兩次溫度值的差值除以電壓差值即為K系數(shù)。

通過Power Tester 1800A功率循環(huán)測試儀測試K系數(shù)（圖18），結果如下：K-Factor：-2.694mV/℃。

圖18 K系數(shù)

2） 瞬態(tài)熱測試（負載）

測試原理圖如圖19所示。根據(jù)任務曲線得到的負載電流，基于能量守恒，采用MATLAB軟件將電流譜處理成300個恒定電流值便于實際加載測試。測試方法如下：①在IGBT Gate上加上15V電壓，使Gate完全打開，在CE之間用大電流加熱，使之達到熱平衡；②在器件達到熱平衡之后，瞬間從大電流切換到小電流（10mA），測量壓降Vce；③測試結果如圖20所示，根據(jù)K系數(shù)中結溫與Vce的之間的關系，得出CLTC工況下的結溫曲線，如圖21所示。

圖19 測試原理圖

圖20 負載電流與Vce關系曲線

圖21 CLTC工況結溫曲線

3.3.3 溫度分布（ΔT）

Ncode雨流分析流程如圖22所示。為了將任務曲線引起的結溫變化與功率循環(huán)壽命曲線進行比較，采用雨流計數(shù)法統(tǒng)計不同結溫變化ΔT出現(xiàn)的頻次。溫度分布ΔT如圖23所示。

圖22 Ncode雨流分析流程

圖23 溫度分布ΔT

3.3.4 功率循環(huán)壽命曲線

研究發(fā)現(xiàn)當溫度變化過程中的最高結溫小于120℃時，可以利用Coffin-Manson模型進行預測，該模型被廣泛用于描述半導體模塊PC過程的失效規(guī)律。后經(jīng)Arrhenuis修正，將平均結溫Tjm納入考核范圍，得到LESIT模型：

隨著封裝技術的改進，IGBT模塊的壽命有了很大提高。焊料層疲勞成為與鍵合線同等重要的失效機制。2008年Bayerer考慮到功率循環(huán)試驗中溫度波動范圍、最大結溫Tjmax、模塊鍵合線直徑D、直流端電流i、阻斷電壓V等因素都會對器件壽命造成影響，得到了CIPS多參數(shù)模型：

通過功率循環(huán)試驗確定模型參數(shù)，繪制如圖24所示的功率循環(huán)壽命曲線。

圖24 功率循環(huán)壽命曲線

3.3.5 IGBT壽命評估

根據(jù)溫度分布ΔT，并參考功率循環(huán)壽命曲線，將一個駕駛循環(huán)中所有ΔT下的損傷相對其出現(xiàn)的頻次加權求和，可得到一個駕駛循環(huán)下的累積損傷。該累積損傷的倒數(shù)即是功率模塊的使用壽命，即：

式中：ni——在一個駕駛循環(huán)中，ΔTj出現(xiàn)的次數(shù)；Ni——在功率循環(huán)壽命曲線中，ΔTj對應的循環(huán)次數(shù)；Nf——功率模塊使用壽命。

通常整車的使用壽命是30萬公里，一個CLTC的行駛里程大約是14.48km，則整車至少需要運行20718個CLTC才滿足壽命要求，通過計算Nf=13973605，遠大于20718，滿足整車的使用壽命要求。

4 電控總成IGBT加速試驗

既然IGBT失效占電控總成失效的絕大多數(shù)，那么電控總成試驗中IGBT的考核是否足夠？如何進行IGBT加速試驗呢？

通過上述分析可知，IGBT模塊的結溫變化是影響其工作壽命與可靠性的主要因素。因此在總成試驗中，結溫變化的幅度和頻次將直接影響其使用壽命。以冷熱沖擊試驗為代表的被動“功率循環(huán)試驗”將是一個很好的試驗方案。

由于該試驗工作模式1.1，屬于被動加熱引起的結溫變化，其中ΔT=125℃、N0=215次，遠低于行標要求。根據(jù)IGBT熱循環(huán)壽命曲線（圖25），當ΔT=125℃時壽命循環(huán)數(shù)N1約3000次，故冷熱沖擊試驗考核僅占全壽命周期的7.2%，屬于考核偏弱，可適當增加循環(huán)數(shù)或加大溫度變化范圍，如表2所示。

表2 冷熱沖擊試驗條件

圖25 IGBT熱循環(huán)壽命曲線

此外，通過分析NEDC或CLTC等駕駛工況可知，主動“功率循環(huán)”產(chǎn)生的結溫變化頻次較多，但幅度偏小。以CLTC工況為例，根據(jù)3.3.3雨流分析結果可知ΔTmax=25℃，根據(jù)IGBT壽命曲線則需要至少107循環(huán)數(shù)。在兼顧其它部件的考核基礎上合理修正工況，如增加啟?；蚣奔?減速工況也是一種可行的加速試驗方案。

5 總結

本文通過介紹IGBT模塊的結構、失效模式等說明熱疲勞是影響IGBT使用壽命的主要因素。并基于此建立了IGBT使用壽命評估方法，將整車設計壽命與IGBT使用壽命結合起來，從而能夠從行駛里程的角度快速評估IGBT功率模塊是否能夠滿足整車使用壽命的要求。此外，針對電控總成的試驗現(xiàn)狀，提出在總成級試驗中進行IGBT加速試驗的可行性。對于主動“功率循環(huán)”試驗，如何優(yōu)化試驗工況，提升ΔTmax進行加速試驗還需要進一步研究。當前以SiC和GaN為代表的第三代寬禁帶半導體材料開始逐漸應用在新能源汽車上，其可靠性也將是我們后續(xù)關注的方向。