文章来源于：机车电传动 第5期 半导体要闻?
作者：周望君，陆金辉，罗海辉, 汤 翔，方 超，柯灏韬，彭勇殿
针对汽车 IGBT ？榈闹饕г砗鸵呒鲜倜贪澹岷戏抡娣治鼋辛斯β恃肥匝樯杓疲嵛虏?ΔTj 和流经键合线的电流 IC 是影响键合点寿命的主要加速因子，中间温度（Tjm）是影响键合点寿命的重要因子。传统功率循环寿命试验需采用大量的试验样本，文章采用单根键合引线作为试验独立样本，极大程度地减少了试验所需的样本数，同时通过压降参数 VCE(sat)?的微小变化相对准确地获取到 IGBT ？槟诓考舷叩耐崖淝魇疲岷鲜倜Ｐ秃屯布尔统计方法，对键合点寿命进行统计分析，最终获得功率循环寿命曲线。利用新的功率循环寿命统计方法可将试验成本和试验周期减少 80%。
0? 引言
随着电动汽车的高速发展，作为其核心部件的IGBT ？榈目煽啃砸脖妒芄刈。IGBT 的寿命研究国内外已有不少研究成果，但是对于汽车用的 IGBT ？榈难芯拷仙。汽车 IGBT ？橛τ霉た鱿喽云渌τ霉た龈佣窳樱谄翟诵泄讨校敉：图蛹跛倨捣保杂Φ氖 IGBT ？榈墓β时浠琁GBT 结温也会随之不断循环变化，温度变化产生的热应力会使模块内部层次间产生蠕变热疲劳，直至 IGBT 失效。针对汽车IGBT 特殊的应用工况条件，准确地评价 IGBT ？榈娜妊肥倜枨蠓浅Ｆ惹。
功率循环试验是 IGBT ？槌Ｓ玫募铀偈倜匝榉椒ㄖ唬ü IGBT ？橥ǘ现绷鞯缌鞑⒔岷贤獠坷淙此淙矗剐酒嵛略诳煽氐奈露确段诒浠梅椒ㄊ峭ü铀俜椒Ｄ IGBT ？樵谟τ霉た鲋械奈露缺浠科兰廴绕＠偷乃鹕耍怯τ檬倜げ庵匾钠兰凼侄。
1? 功率循环寿命退化原理
服役状态下的 IGBT 模块处于亚稳定状态，其材料和结构会随着时间的推移发生状态改变或退化。IGBT ？樵谡鍪倜芷谀冢峋蛑潦偻虼蔚奈露妊烦寤鳎馄诩淙扔αΦ姆锤醋饔没崾共牧戏⑸＠停斐赡？榉庾敖峁沟闹鸾ネ嘶。IGBT 模块封装结构的退化主要表现在？榈牡缪Ш腿妊阅艿耐嘶。
1.1? 热退化
IGBT ？椋ń峁雇技 1）在应用中的电压、电流不是恒定的，而是随着汽车运行速度和载荷的变化而变化，从而使？槲露炔欢媳浠。由于？樾酒、芯片焊层、DBC 等层次的热膨胀系数不完全一致，当？槭艿叫酒露鹊难烦寤魇保煌牧匣岵煌潭鹊氖苋扰蛘秃屠淙词账酰佣鼓？榈母鞑悴牧现洳槐涞挠αΓ斐山峁沟乃沙诤筒牧狭盐频拿壬沟玫既认凳热炔问嘶５ IGBT 模块的焊料出现裂纹和分层时，从芯片到？榈撞可⑷绕髦涞挠行Т让婊突峒跣。斐赡？槿茸 Rth 的增大。IGBT ？槿茸璧脑龃笥只峤档湍？榈拇刃阅埽贾滦酒嵛 Tj 升高。
1.2? 电参数退化
在应用工况中，IGBT 模块材料的损伤会影响其外部电学特性，使？榈牡缙问⑸浠庑┑缙问ㄑ菇 VCE(sat)?和 VF、栅极阈值电压 VGE(th)、栅极电流 IGES 等。键合线与芯片之间热膨胀系数不匹配引起的热应力会造成键合线脱落，导致键合线接触电阻增大，进而使得 IGBT 模块的导通电阻 Ron 增大，饱和压降 VCE (sat)?升高。此外，为了连接 IGBT 芯片元胞和发射极，进行芯片与衬板的引线键合，芯片表面会覆盖一层镀层金属。当镀层金属受到温度冲击时，晶粒会产生塑性变形 ，引起金属化重构。镀层金属的演化会减小其有效横截面积，增大整个镀层金属的电阻，影响？榈谋ズ脱菇 VCE(sat)。
2? 键合热机仿真
IGBT ？楣ぷ鞴讨猩婕暗降缌鞒 ⑽露瘸、应力场等多个物理场相互作用的影响，电流场产生功率损耗，功率损耗引起的焦耳热是温度场中的热源，？槲露鹊牟ǘ拔露瘸〉牟痪确植蓟崾鼓？楦鞑阒洳扔αΓ？榉⑸伪。模块形状的改变又会引起温度场的变化和电流分布的改变，因此，在进行 IGBT ？榧舷哂αΨ抡媸保悸嵌喔鑫锢沓≈湎嗷ヱ詈系那榭。本文建立的 IGBT ？槭堤迥Ｐ腿缤 2 所示。在芯片表面有源区施加发热载荷，模拟芯片发热时的温度场分布，计算键合线的累积塑性变形损伤及其具体发生的位置。
图 3 给出了键合线根部的 von Mises 应力分布。可以发现，在键合点处产生 von Mises 应力的最大值，键合线根部出现应力集中现象。提取键合线上的第一主应变分布，如图 4 所示，发现在应力较大的键合线根部位置键合线的第一主应变最大。功率循环试验中IGBT ？榧舷叩氖В窃诩系愦Σ盐疲盐评┱沟贾录舷咄崖。
3? 试验设计
3.1? 功率循环试验方法
大功率 IGBT ？楣β恃烦Ｓ玫氖匝榉椒ㄓ泻愣ń嵛律?ΔTj 、恒定功率 P 和恒定电流 IC。恒定结温升ΔTj 和恒定功率 P 主要是针对焊层的退化，其中恒定结温升?ΔTj 的试验模式更加普遍；恒定电流 IC 试验模式则主要用于评价键合点的寿命。
3.1.1 恒定结温升 ΔTj 模式
恒定结温升 ΔTj 试验模式即在试验过程中，Ton 和Toff 保持不变，实时调整 IC 的值，使?ΔTj 恒定。该试验模式下，随着产品热特性的退化，维持结温升?ΔTj 稳定需要不断地减小电流 IC。恒定结温升 ΔTj 的试验模式在轨道交通用高压 IGBT ？榈男酒覆闳绕＠推兰壑斜还惴河τ谩６杂诠斓澜煌ㄓ IGBT ？橥ǔ；岫砸呒系憬型拷罕；ぃ卟换崆嵋淄崖洌涫倜贪逦酒覆愕姆植愫褪账酢＝嵛卤浠凳呛覆闳绕＠屯嘶闹饕蜃樱艿缌鞔笮∮跋旖闲。使斓澜煌ㄓ酶哐笽GBT ？槭匝椴捎煤愣ń嵛律?ΔTj 的模式比较合适。
3.1.2? 恒定电流 IC 试验模式
恒定电流 IC 试验模式即为在试验过程中，Ton, Toff,IC 全部保持不变。在试验开始的时候通过前期调整使Ton, Toff, IC 满足设定的?ΔTj 的要求，在试验过程中不再对这些参数进行调节。这种试验模式下，随着产品热退化和电退化综合效应导致?ΔTj 越来越大。对于汽车用IGBT ？椋捎诜庾肮ひ蘸筒牧系扔敫哐鼓？榇嬖诓钜烨铱悸浅杀疽蛩兀阅？榈囊呒系阃ǔＮ赐扛脖；そ海系闶 IGBT ？槭倜亩贪澹绮问嘶侵饕耐嘶恚ǔ２捎煤愣ǖ缌 IC 模式进行试验。AQG324 汽车？楸曜家沧隽送墓娑ㄋ得。
3.1.3? 热敏系数测试
在进行功率循环前，试验人员需要对 IGBT ？榻腥让粝凳ㄒ渤 K 系数）的测量。在小电流下，结温和电压 VCE 呈线性关系。所以，在不同温度下对压降VCE 进行精准的标定，获取小电流下压降与温度的关系曲线，该曲线的斜率即为 IGBT 的 K 系数，K 系数示意图见图 5。试验过程中只需获取小电流下？榈难菇导纯煞赐瞥鲂酒慕嵛。
3.2? 威布尔统计方法介绍
威布尔分布在可靠性工程领域具有举足轻重的地位，该分布模型是功率半导体器件常用的寿命分布模型。本文研究的 IGBT 键合点失效主要由于材料寿命引起，其寿命分布可以用两参数威布尔统计分布来描述?，其累积失效率计算公式为式中：
m 为形状参数；η?为真尺度参数；N 为器件失效周期数。
将统计的键合点寿命数据进行整理，通过作图法，可以获得形状参数m和真尺度参数η的值，利用上述值，便可轻松算得样品的寿命为
式中：R 为规定的可靠度。
3.3???试验方案设计
3.3.1 寿命模型
功率半导体寿命常用模型为
式中：Nf 为模块寿命；K 为玻尔兹曼常数；Tjm 为平均结温；EA 为激活能；β1, β2, β3 为计算值，与功率器件结构及材料有关，无实际物理意义。
对于功率IGBT？椋街械募せ钅蹺A通常取0.168eV ?。上述模型中加速因子主要为?ΔTj, Tjm, IC。本文以此模型为基础进行试验方案的设计。
3.3.2 试验设计
试验采用恒定电流 IC 的模式。对 ΔTj, Tjm, IC3 个加速因子进行拉偏试验，当对一个参数进行拉偏时，其他 2 个参数保持一致。拉偏方案具体见表 1~?表 3。为满足设定的条件，可以适当调整 IGBT 栅极电压 VGE 和关断时间 Toff。
对于寿命分布的统计，通常都是取？檠菇 VCE（sat）退化 5% 的循环次数作为？榈慕刂故倜 ，这种方式是将 IGBT ？檎遄魑谙蛔哟恚雎粤似涫У墓滔附。在做寿命分布的时候需要大量的样本才能获取比较准确的寿命值，通常需要单个试验拉偏条件大于 10?只的样本数量，这无疑需要巨大的经济成本和时间成本。针对汽车IGBT？榧系阃崖涞氖Ｊ剑疚难芯坎捎靡约系阕魑咀友泄β恃肥倜臣。图 6 所示？槭且恢制涤冒肭 IGBT 模块，其一个桥臂有 144 个键合点，即每只？榭墒游144 个样本子样，因此可以通过较少的几只？榈氖匝槭荩玫酱罅考系愕氖倜饨蟠蠹跎偈匝榈木贸杀竞褪奔涑杀荆蹦芄桓既坊袢〖系闶倜难反问。
4? 试验结果
4.1? 试验数据统计
本文的试验设计采用恒定电流 IC 的试验模式。功率循环试验的热疲劳效应导致键合点与芯片金属层界面裂纹生长，每次键合点的脱落，IGBT ？榈难菇礦CE(on)?会明显增大，形成一个明显的台阶，可以方便试验人员对键合点脱落时对应的循环周次数进行统计，如图 7 所示。
在键合点脱落数量较少的情况下，每个键合点的脱落会产生一个相对固定的 ΔVCE(on)。当键合点脱落数量达到一定数量后，每个键合点脱落会导致压降的增加值与初始的 ΔVCE(on)?不再呈线性关系，影响到循环周次数对应的键合点脱落数量统计，可以采用定数截尾的方式进行试验来减小统计误差。每个压降突变处键合点的脱落数量可以近似计算为
式中：V2 为台阶上沿值；V1 为台阶下沿值；ΔVCE(on)?为单根键合点脱落所增加的压降值。
随着产品性能的退化，芯片的温度也会大幅增加，IGBT?芯片通常为正温度系数，可对式?(4)?进行系数修正，每个压降突变处键合点的脱落数量可近似计算为
根据试验过程曲线，按照式 (4) 或式 (5) 的计算方法，统计不同循环周次数对应的键合点脱落数量，如图 8 所示（图中点的个数即为键合点脱落数量）。
4.2? 数据分析及寿命计算
按照威布尔分布计算方法对键合点脱落统计数据进行分析，获取在某一累计失效率下的 IGBT ？楣β恃肥倜缤 9 所示。威布尔参数计算方法已经非常成熟，本文不再赘述。
本文以键合点累积失效率为 10% 作为？榈氖倜ㄒ渤莆 B10?寿命），计算得到不同试验条件下的IGBT ？楣β恃肥倜绫 4~?表 6 所示。
基于寿命模型式?(3)?对上述试验数据代入进行计算，获取系数?β1, β2, β3 值，通过计算的寿命模型可拟合得到在不同加速因子下的二维功率循环寿命曲线如图 10?和图 11 所示。图 10?和图 11 的曲线表明，IC 对键合点寿命的影响较大，是影响键合点寿命的主要加速因子；Tjm 对键合点寿命的影响相对较。彩怯跋旒系闶倜闹匾铀僖蜃。失效？榻馄释既缤妓 12。
对完成试验的？榻薪馄史治觯？榧系阌忻飨园离脱落，失效位置为键合点根部，佐证了前文的键合热机仿真的失效模式。
5???结语
本文基于汽车 IGBT ？楣β恃肥倜难芯浚邮г、试验方法、寿命模型和统计模型等多个角度进行阐述，针对汽车 IGBT ？榈募系闶倜贪澹辛斯β恃肥匝樯杓。本文提出基于键合点作为样本子样的寿命统计方法，相比传统以 IGBT ？樽魑镜氖倜臣品椒ǎ梅椒梢源蠓燃跎偈匝檠臼 , 节省巨大的时间成本和经济成本 , 并提升寿命评价的准确性，具有很好的工程应用价值。
往期推荐
IGBT 功率？槿裙芾硌芯
散热底板对 IGBT ？楣β恃防匣倜挠跋
IGBT ？槭倜拦朗笛橐谰-Power Cycling Test
IGBT？榻峁辜袄匣蚪