文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.02.006
中文引用格式： 李志剛，張亞玲，梅霜. 溫度循環(huán)下IGBT熱阻退化模型的研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42(2)：25-27，31.
英文引用格式： Li Zhigang，Zhang Yaling，Mei Shuang. Research on IGBT thermal resistance degenetate model under temperature recycle[J].Application of Electronic Technique，2016，42(2)：25-27，31.
0 引言
高頻化、大功率化和集成化是絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)不斷發(fā)展的方向[1]。功率和集成度的增加使得IGBT所承受的功率密度不斷升高，同時(shí)隨著技術(shù)的不斷發(fā)展IGBT工作的頻率也不斷增大，這些都使器件的發(fā)熱問(wèn)題愈加嚴(yán)重。IGBT各層材料的厚度、熱膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)率、熱阻值和熱容值各不相同，在溫度梯度與熱應(yīng)力的反復(fù)沖擊下，焊料層之間產(chǎn)生的剪切應(yīng)力導(dǎo)致薄弱處將逐漸產(chǎn)生細(xì)微的裂紋。裂紋的不斷增加會(huì)減小硅芯片熱量傳導(dǎo)和焊料層的有效傳熱面積，導(dǎo)致其平均溫度升高，加速空洞的產(chǎn)生和封裝熱阻的增加[2]。風(fēng)電系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中，服役期內(nèi)運(yùn)行周期To(in operation)和維修周期Tm(in maintaining)交替出現(xiàn)。如果能在維修周期中對(duì)模塊的特性進(jìn)行檢測(cè)，從而估計(jì)它的健康狀態(tài)以及仍可安全運(yùn)行的時(shí)間，必然產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益，并提高電網(wǎng)的安全運(yùn)行。因此研究IGBT功率模塊在熱應(yīng)力不斷沖擊過(guò)程中熱阻的老化規(guī)律，并以此為依據(jù)對(duì)模塊的健康狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，預(yù)測(cè)模塊的剩余壽命具有十分重要的科學(xué)意義。
1 IGBT熱疲勞形式分析
IGBT器件的熱疲勞現(xiàn)象通常分為兩種形式，一種是功率循環(huán)模式，另一種是溫度循環(huán)模式。功率循環(huán)加速老化方法通電時(shí)間短，冷卻時(shí)間長(zhǎng)，殼溫Tc在一個(gè)溫度沖擊循環(huán)過(guò)程中的變化較小，而IGBT芯片的溫度(Tj)波動(dòng)劇烈，該方法主要用于模擬鍵合線老化失效[3]。溫度循環(huán)加速老化方法一次循環(huán)時(shí)間較長(zhǎng)，較長(zhǎng)的循環(huán)時(shí)間不僅使結(jié)溫波動(dòng)量ΔTj較大，同時(shí)也使得殼溫Tc的變化幅值差ΔTc較大，該方法能同時(shí)模擬鋁鍵合線和焊料層的老化失效[4]。
IGBT模塊內(nèi)部材料結(jié)構(gòu)的退化必然導(dǎo)致外部電熱參數(shù)出現(xiàn)一定變化，變化較為明顯的是模塊導(dǎo)通飽和壓降和熱阻。由于飽和壓降測(cè)量較容易，多數(shù)文獻(xiàn)研究飽和壓降的退化規(guī)律[5-7]，本文則利用定制的IGBT老化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和熱阻測(cè)試系統(tǒng)研究溫度循環(huán)下IGBT熱阻的退化規(guī)律。
2 實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)
2.1 試驗(yàn)方案
正常工作情況下IGBT模塊的壽命約為10年，在正常工作下研究其退化規(guī)律花費(fèi)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，因此考慮加速老化實(shí)驗(yàn)。如圖1所示為加速老化實(shí)驗(yàn)的電路原理圖，圖中DUT為試驗(yàn)器件；PWR為程控試驗(yàn)電源(5 V，300 A)；VG為G腳程控電壓(0～15 V)；RG為G腳串聯(lián)電阻(10 Ω/2 W)；RIS為電流互感器(0～300 A)。
具體實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下：首先對(duì)全新的IGBT器件進(jìn)行測(cè)試，用IGBT熱阻測(cè)試平臺(tái)測(cè)量IGBT器件溫度系數(shù)、飽和壓降及集電極電流，計(jì)算出熱阻。然后對(duì)IGBT模塊進(jìn)行溫度循環(huán)老化實(shí)驗(yàn),殼溫由40 ℃升溫到90 ℃，再由90 ℃降溫至40 ℃，此為一個(gè)溫度循環(huán)，每循環(huán)1 000次后，再采用熱阻測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量IGBT器件溫度系數(shù)、飽和壓降及集電極電流，計(jì)算出熱阻。重復(fù)以上步驟，直到模塊老化失效，實(shí)驗(yàn)停止。
2.2 熱阻測(cè)試平臺(tái)
2.2.1 熱阻測(cè)量的原理
以結(jié)殼熱阻為例，穩(wěn)態(tài)熱阻的定義式為：
式中，Tj為模塊的結(jié)溫，Tc為模塊的殼溫(銅底板溫度)，Ploss為模塊的平均功率損耗。
殼溫可以通過(guò)在器件底部放置溫度傳感器獲得，功率損耗可以通過(guò)測(cè)量導(dǎo)通飽和電壓和集電極電流計(jì)算得到。但結(jié)溫是器件內(nèi)部芯片上的最高結(jié)溫，不易直接測(cè)量，因此采用熱敏參數(shù)法獲得器件的結(jié)溫。小電流下半導(dǎo)體PN結(jié)電壓隨溫度變化具有非常好的線性，用半導(dǎo)體器件結(jié)電壓作為溫敏參數(shù)，測(cè)量其工作條件下的變化，可以達(dá)到測(cè)量溫升及熱阻的目的。采用小電流下的IGBT集電極-發(fā)射極電壓作為熱敏參數(shù)的測(cè)量電路圖如圖2所示。
2.2.2 試驗(yàn)布驟
試驗(yàn)分兩步進(jìn)行：
(1)將IGBT模塊置于控溫箱中，同時(shí)將控溫箱溫度設(shè)置為T1，通入測(cè)量電流IM，測(cè)量此時(shí)的集射極電壓VCE1；再將溫度設(shè)置為溫度值T2，測(cè)量溫度T2時(shí)的集射極電壓VCE2得到模塊的溫度系數(shù)：
(2)將測(cè)試模塊從控溫箱中取出并固定在散熱器上，測(cè)量此時(shí)模塊的殼溫Tc1，通入測(cè)量電流IM來(lái)測(cè)試此時(shí)模塊的集射極電壓VCE3。接著，對(duì)測(cè)試模塊通以加熱大電流IC，當(dāng)模塊達(dá)到熱平衡后測(cè)定此時(shí)的殼溫TC2以及集射極電壓VCE4。最后，斷開開關(guān)K，切斷加熱大電流并閉合K1通以小測(cè)試電流IM，在極短時(shí)間內(nèi)測(cè)量此時(shí)的集射極電壓VCE5。通過(guò)上述相關(guān)測(cè)量可以獲取通以加熱大電流后達(dá)到平衡時(shí)模塊溫度Tj的公式：
2.3 加速老化試驗(yàn)平臺(tái)
加速老化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用上位機(jī)控制方式。系統(tǒng)配置十個(gè)相對(duì)獨(dú)立的老化實(shí)驗(yàn)區(qū)，每個(gè)老化實(shí)驗(yàn)區(qū)由加熱電路(提供0~300 A直流電流)、驅(qū)動(dòng)電路(提供0~20 V的驅(qū)動(dòng)電壓)和冷卻系統(tǒng)(風(fēng)機(jī)和散熱器)組成(如圖3所示)。其中①安裝平臺(tái): 用于試驗(yàn)器件的固定與散熱(中間帶有溫度探頭);②風(fēng)機(jī)：用于試驗(yàn)器件(包含散熱器)的輔助風(fēng)冷散熱;③④：電源功率輸出的正端和負(fù)端(提供加熱電流)；⑤⑥：驅(qū)動(dòng)電源的正負(fù)極(為IGBT提供驅(qū)動(dòng)電壓)。上位機(jī)可以實(shí)時(shí)顯示每個(gè)實(shí)驗(yàn)區(qū)域的狀態(tài)、循環(huán)次數(shù)、采樣數(shù)、運(yùn)行時(shí)間、每個(gè)循環(huán)的導(dǎo)通時(shí)間和斷開時(shí)間、Vcesat、導(dǎo)通電流、殼溫等。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
3.1 多項(xiàng)式模型理論分析
3.1.1 多項(xiàng)式模型擬合次數(shù)選擇
多項(xiàng)式擬合次數(shù)越高對(duì)已有點(diǎn)的描述越貼切，但如果擬合次數(shù)過(guò)高的話又會(huì)削弱數(shù)據(jù)的趨勢(shì)性，因此需要選定最佳的擬合次數(shù)。
設(shè)有n個(gè)成對(duì)的點(diǎn)x，y=(x1，y1)、(x2，y2)、(x3，y3)…(xn，yn)
對(duì)這n個(gè)點(diǎn)進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，下標(biāo)代表擬合多項(xiàng)式次數(shù)
3.1.2 多項(xiàng)式模型回歸分析
模型建立后需要對(duì)模型進(jìn)行可信度檢驗(yàn)，本文用方差分析檢驗(yàn)多元回歸模型的統(tǒng)計(jì)可信度。方差分析將因變量的變異分解成組內(nèi)部分和組間部分，然后比較組間部分和組內(nèi)部分的相對(duì)大小，據(jù)此來(lái)判斷基于樣本數(shù)據(jù)得到的回歸模型是否真實(shí)反映總體的變化規(guī)律。具體公式如下：
其中：SST為殘差平方和，SST為總平方和，SSR為回歸平方和，R2為判定系數(shù)
R2(0~1)反映趨勢(shì)線的估計(jì)值與對(duì)應(yīng)的實(shí)際數(shù)據(jù)之間的擬合程度，越接近1則說(shuō)明趨勢(shì)線的可靠程度就越高。
3.2 實(shí)例分析
實(shí)驗(yàn)中，首先將全新的IGBT模塊放在調(diào)溫調(diào)濕箱中做小電流測(cè)試實(shí)驗(yàn)，測(cè)量IM分別為10 mA、30 mA、50 mA、100 mA時(shí)，IGBT模塊在不同結(jié)溫下的飽和壓降U(sat)ce。結(jié)溫由恒溫箱控制，使恒溫箱在某一溫度下保持足夠長(zhǎng)的時(shí)間，此時(shí)IGBT結(jié)溫等于環(huán)境溫度，且測(cè)試電流足夠小，模塊在測(cè)量過(guò)程中不自熱，認(rèn)為結(jié)溫始終等于恒溫箱設(shè)定溫度。使恒溫箱的溫度從-20 ℃～100 ℃變化，每隔10 ℃測(cè)量一次。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，可以看出IGBT飽和壓降隨結(jié)溫基本成線性關(guān)系，其中測(cè)試電流為100 mA時(shí)線性度最好，因此選擇100 mA作為測(cè)量溫度系數(shù)的測(cè)試電流。
對(duì)100 mA下的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行線性擬合，擬合結(jié)果如圖5所示，得到溫度系數(shù)α=2.130 8，通過(guò)式(4)可以得到IGBT的初始熱阻為0.15 ℃/W。將IGBT模塊放入老化設(shè)備中，每經(jīng)過(guò)1 000次溫度循環(huán)，測(cè)量模塊在100 mA下的溫度系數(shù)，并計(jì)算得到的熱阻，直到器件失效為止。圖6為溫度循環(huán)下IGBT熱阻及其偏移量的波形。
由圖可知，隨著熱應(yīng)力的不斷沖擊，IGBT的性能發(fā)生了一定程度的退化，熱阻隨著溫度循環(huán)次數(shù)的增多不斷增大。
通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)熱阻增量符合多項(xiàng)式模型，對(duì)熱阻增量進(jìn)行不同次數(shù)的多項(xiàng)式擬合，并用上述擬合次數(shù)選擇標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行判斷，發(fā)現(xiàn)熱阻退化量最佳擬合模型為四次多項(xiàng)式模型（擬合曲線如圖7所示）。
Rthp=0.349 7+0.001 1x+7×10-7x2-1×10-10x3+6×10-15x4
式中：x為溫度循環(huán)次數(shù)，Rthp為熱阻退化量。
對(duì)擬合模型進(jìn)行方差分析，得到擬合系數(shù)R2=0.995 7，非常接近1，說(shuō)明擬合程度很好，IGBT熱阻在溫度循環(huán)下的退化模型符合四次多項(xiàng)式模型。
4 結(jié)論
隨著溫度沖擊的不斷增加，模塊焊料層出現(xiàn)疲勞損傷，外部特征表現(xiàn)為器件熱阻不斷增大。對(duì)測(cè)得IGBT熱阻的退化數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)退化數(shù)據(jù)符合多項(xiàng)式模型。在給定最佳模型判定條件下，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行曲線擬合發(fā)現(xiàn)本次實(shí)驗(yàn)IGBT熱阻退化規(guī)律最佳擬合模型為四次為多項(xiàng)式模型。
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