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)熱問題愈加嚴重。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)生細微的裂紋。裂紋的不斷增加會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)的運行過程中，服役期內(nèi)運行周期T_o(in operation)和維修周期T_m(in maintaining)交替出現(xiàn)。如果能在維修周期中對模塊的特性進行檢測，從而估計它的健康狀態(tài)以及仍可安全運行的時間，必然產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益，并提高電網(wǎng)的安全運行。因此研究IGBT功率模塊在熱應(yīng)力不斷沖擊過程中熱阻的老化規(guī)律，并以此為依據(jù)對模塊的健康狀態(tài)進行評估，預(yù)測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間短，冷卻時間長，殼溫T_c在一個溫度沖擊循環(huán)過程中的變化較小，而IGBT芯片的溫度(T_j)波動劇烈，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)時間較長，較長的循環(huán)時間不僅使結(jié)溫波動量ΔT_j較大，同時也使得殼溫T_c的變化幅值差ΔT_c較大，該方法能同時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。由于飽和壓降測量較容易，多數(shù)文獻研究飽和壓降的退化規(guī)律^[5-7]，本文則利用定制的IGBT老化實驗平臺和熱阻測試系統(tǒng)研究溫度循環(huán)下IGBT熱阻的退化規(guī)律。

2 實驗原理和實驗平臺

2.1 試驗方案

    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)律花費時間過長，因此考慮加速老化實驗。如圖1所示為加速老化實驗的電路原理圖，圖中DUT為試驗器件；PWR為程控試驗電源(5 V，300 A)；V_G為G腳程控電壓(0～15 V)；R_G為G腳串聯(lián)電阻(10 Ω/2 W)；RIS為電流互感器(0～300 A)。

    具體實驗過程如下：首先對全新的IGBT器件進行測試，用IGBT熱阻測試平臺測量IGBT器件溫度系數(shù)、飽和壓降及集電極電流，計算出熱阻。然后對IGBT模塊進行溫度循環(huán)老化實驗,殼溫由40 ℃升溫到90 ℃，再由90 ℃降溫至40 ℃，此為一個溫度循環(huán)，每循環(huán)1 000次后，再采用熱阻測試系統(tǒng)測量IGBT器件溫度系數(shù)、飽和壓降及集電極電流，計算出熱阻。重復(fù)以上步驟，直到模塊老化失效，實驗停止。

2.2 熱阻測試平臺

2.2.1 熱阻測量的原理

    以結(jié)殼熱阻為例，穩(wěn)態(tài)熱阻的定義式為：

式中，T_j為模塊的結(jié)溫，T_c為模塊的殼溫(銅底板溫度)，P_loss為模塊的平均功率損耗。

    殼溫可以通過在器件底部放置溫度傳感器獲得，功率損耗可以通過測量導(dǎo)通飽和電壓和集電極電流計算得到。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)，測量其工作條件下的變化，可以達到測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)的測量電路圖如圖2所示。

2.2.2 試驗布驟

    試驗分兩步進行：

    (1)將IGBT模塊置于控溫箱中，同時將控溫箱溫度設(shè)置為T₁，通入測量電流I_M，測量此時的集射極電壓V_CE1；再將溫度設(shè)置為溫度值T₂，測量溫度T₂時的集射極電壓V_CE2得到模塊的溫度系數(shù)：

    (2)將測試模塊從控溫箱中取出并固定在散熱器上，測量此時模塊的殼溫T_c1，通入測量電流I_M來測試此時模塊的集射極電壓V_CE3。接著，對測試模塊通以加熱大電流I_C，當模塊達到熱平衡后測定此時的殼溫T_C2以及集射極電壓V_CE4。最后，斷開開關(guān)K，切斷加熱大電流并閉合K₁通以小測試電流I_M，在極短時間內(nèi)測量此時的集射極電壓V_CE5。通過上述相關(guān)測量可以獲取通以加熱大電流后達到平衡時模塊溫度T_j的公式：

2.3 加速老化試驗平臺

    加速老化實驗系統(tǒng)采用上位機控制方式。系統(tǒng)配置十個相對獨立的老化實驗區(qū)，每個老化實驗區(qū)由加熱電路(提供0~300 A直流電流)、驅(qū)動電路(提供0~20 V的驅(qū)動電壓)和冷卻系統(tǒng)(風(fēng)機和散熱器)組成(如圖3所示)。其中①安裝平臺: 用于試驗器件的固定與散熱(中間帶有溫度探頭);②風(fēng)機：用于試驗器件(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端(提供加熱電流)；⑤⑥：驅(qū)動電源的正負極(為IGBT提供驅(qū)動電壓)。上位機可以實時顯示每個實驗區(qū)域的狀態(tài)、循環(huán)次數(shù)、采樣數(shù)、運行時間、每個循環(huán)的導(dǎo)通時間和斷開時間、V_cesat、導(dǎo)通電流、殼溫等。

3 實驗結(jié)果分析

3.1 多項式模型理論分析

3.1.1 多項式模型擬合次數(shù)選擇

    多項式擬合次數(shù)越高對已有點的描述越貼切，但如果擬合次數(shù)過高的話又會削弱數(shù)據(jù)的趨勢性，因此需要選定最佳的擬合次數(shù)。

    設(shè)有n個成對的點x，y=(x₁，y₁)、(x₂，y₂)、(x₃，y₃)…(x_n，y_n)

    對這n個點進行多項式擬合，下標代表擬合多項式次數(shù)

3.1.2 多項式模型回歸分析

    模型建立后需要對模型進行可信度檢驗，本文用方差分析檢驗多元回歸模型的統(tǒng)計可信度。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)部分的相對大小，據(jù)此來判斷基于樣本數(shù)據(jù)得到的回歸模型是否真實反映總體的變化規(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)反映趨勢線的估計值與對應(yīng)的實際數(shù)據(jù)之間的擬合程度，越接近1則說明趨勢線的可靠程度就越高。

3.2 實例分析

    實驗中，首先將全新的IGBT模塊放在調(diào)溫調(diào)濕箱中做小電流測試實驗，測量I_M分別為10 mA、30 mA、50 mA、100 mA時，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的時間，此時IGBT結(jié)溫等于環(huán)境溫度，且測試電流足夠小，模塊在測量過程中不自熱，認為結(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 ℃測量一次。實驗結(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，其中測試電流為100 mA時線性度最好，因此選擇100 mA作為測量溫度系數(shù)的測試電流。

    對100 mA下的測量結(jié)果進行線性擬合，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1 000次溫度循環(huán)，測量模塊在100 mA下的溫度系數(shù)，并計算得到的熱阻，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。

    通過對數(shù)據(jù)進行分析發(fā)現(xiàn)熱阻增量符合多項式模型，對熱阻增量進行不同次數(shù)的多項式擬合，并用上述擬合次數(shù)選擇標準進行判斷，發(fā)現(xiàn)熱阻退化量最佳擬合模型為四次多項式模型（擬合曲線如圖7所示）。

    R_thp=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)，R_thp為熱阻退化量。

    對擬合模型進行方差分析，得到擬合系數(shù)R²=0.995 7，非常接近1，說明擬合程度很好，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。對測得IGBT熱阻的退化數(shù)據(jù)進行分析，發(fā)現(xiàn)退化數(shù)據(jù)符合多項式模型。在給定最佳模型判定條件下，對實驗結(jié)果進行曲線擬合發(fā)現(xiàn)本次實驗IGBT熱阻退化規(guī)律最佳擬合模型為四次為多項式模型。

參考文獻

[1] 王兆安，黃俊.電力電子技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2000.

[2] AMRO R，LUTZ J.Power cycling with high tcmpcrature swing of discrete components based on different technologies[C].IEEE PESC.Piscataway，USA：IEEE，2004：2593-2598.

[3] HAMIDI A，BECK N，THOMAS K，et al.Reliability and lifetime evaluation of different wire bonding technologies for high power IGBT modules[J].Microelectronics Reliability，1999，39：1153-1158.

[4] BERG H，WOLFGANG E.Advanced IGBT modules for railway traction applications: reliability testing[J].Microelectronic Reliability，1998，38：1319-1323.

[5] 杜熠，李璠，曾照洋，等.IGBT性能退化模型構(gòu)建方法研究[J].電力電子技術(shù)，2013，47（1）：104-106.

[6] 楊旭.基于飽和壓降測量的IGBT功率模塊狀態(tài)評估方法研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2012.

[7] 陳明，胡安，劉賓禮.絕緣柵雙極型晶體管失效機理與壽命預(yù)測模型[J].西安交通大學(xué)學(xué)報，2011，45(10)：65-71.