汽車IGBT功率模塊腐蝕絕緣故障分析

摘要：對于車規(guī)級功率模塊，設計使用時間往往高達15年以上。因此對可靠性設計和封裝工藝控制提出更高的要求，這也大大增加了IGBT模塊封裝技術的難度。封裝過程中的每一個環(huán)節(jié)都需要精準設計和嚴格控制，從而保證PCM（控制器模塊）功率模塊在實際工況條件下的可靠性、耐久性。通過對某車輛PCM功率模塊腐蝕失效故障的原因分析，經(jīng)過一系列驗證分析，討論了引起PCM腐蝕失效的內外部因素，其中包括外部環(huán)境、單品PM結構、IGBT灌封工藝、散熱器外殼制造工藝等因素的影響。

關鍵詞：PCM；IGBT功率模塊；工業(yè)CT檢測；超聲波焊；熱固性樹脂；鋁合金點腐蝕

IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）——絕緣柵雙極型晶體管是PCM（控制器模塊）的核心部件，具有驅動功率小而飽和壓降低的優(yōu)點，是一種高效、可靠的功率電子開關。因其節(jié)能、散熱穩(wěn)定等特點，廣泛應用于高電壓、大電流的電力電子系統(tǒng)中。

新能源汽車動力總成控制模塊中，IGBT起著控制功率輸出的作用，但由于車載工況功率高、溫度變化快速等較為苛刻的工況，IGBT經(jīng)常處于“極熱”或“極冷”工況（車規(guī)級設計溫度區(qū)間一般在－40～125℃）。一旦出現(xiàn)故障會導致車輛用電設備不能得到供電，嚴重時車輛無法啟動。

目前，車規(guī)級功率模塊采取的主流散熱方式為液冷散熱，鋁針式散熱基板，散熱性能好，造價低，廣為應用。再通過特定的技術將IGBT功率器件進行封裝，保證其在各種工況條件下有效發(fā)揮功用。

故障描述

某款混動車在道路行駛試驗9365km時故障燈點亮，根據(jù)故障碼提示對車輛PCM輸出進行絕緣檢測，阻值異常（測試值為0）。進一步拆解檢查發(fā)現(xiàn)內部單品PM表面有粉色晶狀物，同時表面鋁質散熱基板有腐蝕現(xiàn)象（見圖1），單品PM絕緣測試，其中一件絕緣失效。

分析驗證

1.腐蝕物分析

經(jīng)過紅外分析，粉色晶體主成分為冷卻液+氧化鋁（見圖2），能譜分析結果顯示其中F、K元素含量異常（見表1）。

2.腐蝕源分析驗證

對冷卻液分析，故障車中冷卻液F、K元素異常，冷卻原液不含F(xiàn)、K離子。對整個冷卻管路進行排查，前端中溫散熱器整體釬焊工序所使用釬焊劑為氟鋁酸鉀，主板釬焊后，底部會有釬劑殘留物（殘渣能譜檢測結果見表1）。

3.腐蝕驗證

設計一組浸泡試驗，驗證冷卻液中釬焊劑殘渣對散熱鋁質的腐蝕性。

1）驗證對象：A1050帶材（散熱片材質為A1050，制作工藝為壓鑄）。

2）驗證方法：從同一片A1050鋁帶上截取8塊樣片（15mm×30mm），浸泡于不同種類測試液中，在兩種溫度下浸泡一定時間，取出、沖洗，目視觀察，根據(jù)樣片變色情況判定氧化程度并排序。

經(jīng)高溫后的釬焊劑殘渣在冷卻液中溶解度會提高，溶入冷卻液中的F-、K+離子對鋁質散熱片有腐蝕作用。

溫度對腐蝕速度有很大的影響，溫度越高，腐蝕性越大（見表2和圖3）。

注：1）A→B→C→D→E→F氧化程度依次遞增。

2）浸泡液：1#溶液-冷卻液原液，2#溶液-故障車內冷卻液，

3#溶液-冷卻液原液+釬焊劑殘渣，4#溶液-冷卻液原液

+釬焊劑原料。

3）浸泡時間24h。

4.功率模塊IGBT各部分耐腐蝕性驗證

將IGBT功率模塊切塊浸泡于1：1HCl溶液中，觀察各組成部分腐蝕情況，并對各材料間的絕緣性進行測試。

結果表明，浸泡后絕緣層、Cu層、樹脂區(qū)域無明顯變化，鋁殼腐蝕溶解（見圖4）。

絕緣性能測試結果表明絕緣層保持絕緣功能。

5.故障IGBT功率模塊缺陷分析

（1）CT分析 對故障IGBT進行CT檢查，CT結果顯示芯部充填的樹脂有裂紋和空腔（見圖5），將CT鎖定故障點剖開，可觀察到故障位置已被嚴重腐蝕。

（2）IGBT結構分析 包括灌封分析和散熱基板結構分析。

1）灌封工藝分析。灌膠固化采用了二次灌封工藝，兩次灌封采用的都是熱固性樹脂，如圖6所示。

熱固性環(huán)氧樹脂，具有強度高、絕緣性好、耐熱、抗腐蝕等優(yōu)點。其缺點是性脆、力學性能較差，且固化反應不可逆。封裝后樹脂內收縮應力大，加之IGBT本身工況條件就是高低溫不斷變換，尤其在兩次灌封材料之間極易出現(xiàn)開裂，灌封過程真空度控制不好也會造成樹脂內部形成空洞等情況，此弊端在故障IGBT模塊上已得到證實。

先以有機硅凝膠灌封，硅凝膠內應力低、柔軟，粘附性強，能很好地附著在IGBT模組上，達到良好的防水防潮效果，同時也有一定的抗沖擊性。之后再以環(huán)氧膠二次灌封，經(jīng)固化后在硅凝膠上層形成一層密度大質地堅硬的保護層，起保護和強化模塊整體性的作用。這種灌封工藝目前已得到廣泛推廣運用。

2）散熱基板結構分析。散熱基板的成型工藝為壓鑄，材料采用了A1050。A1050是一種純鋁材料，具有良好的耐蝕性和焊接性能。鋁壓鑄工藝也是一種高效而廣泛應用的鑄造工藝，但由于高速填充，快速冷卻，型腔中氣體可能來不及排出，壓鑄件內常伴有一些細小氣孔。

散熱基板表面和近表面的微小孔隙在含F(xiàn)-溶液中開始是以亞穩(wěn)點蝕的方式形成最初的腐蝕點，隨著腐蝕程度加深，腐蝕坑慢慢深入擴大，逐步向穩(wěn)定點蝕轉化，且腐蝕速度也加快；散熱基板與外框采用超聲波焊接鏈接，焊接工藝需要，周邊設計厚度較薄（0.5mm）。點腐蝕作用下極易被腐蝕而穿透，冷卻液順裂紋滲入，造成IGBT絕緣失效。

結語

本次IGBT絕緣失效的主要原因如下：

（1）外因 冷卻管路中清潔度問題，管路中殘留的助焊劑殘渣，為鋁合金點腐蝕提供了腐蝕環(huán)境，是造成本次IGBT腐蝕失效的主要外部原因。

（2）內因 IGBT的灌封采用的二次熱固性樹脂灌封方式不適用于液態(tài)的工作環(huán)境，灌封內部一旦出現(xiàn)裂紋、孔洞等缺陷，若再遇散熱基板受損，液體便會滲入內部，造成IGBT絕緣短路，這是本次IGBT絕緣失效的重要內部原因。

內外因相互作用，促成了本次失效故障。后續(xù)通過控制管道清潔度、改進IGBT封裝工藝有效杜絕了這類絕緣失效問題。

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