文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.08.012
中文引用格式： 陳紅納，李志剛，梅霜，等. IGBT模塊鍵合線故障與門極雜散阻抗的關(guān)系研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42(8)：56-59，66.
英文引用格式： Chen Hongna，Li Zhigang，Mei Shuang，et al. Study on the relationship between bonding wire failure and the gate stray impedance of IGBT module[J].Application of Electronic Technique，2016，42(8)：56-59，66.
0 引言
絕緣柵雙極晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）已成為高頻大電流電力電子變換系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的一種功率半導(dǎo)體器件。據(jù)國外調(diào)查顯示[1]，在電力電子變換器中功率半導(dǎo)體器件是最脆弱的部分，故障率為31%。運(yùn)行過程中功率器件損壞主要是由于功率波動(dòng)導(dǎo)致溫度波動(dòng)產(chǎn)生的熱機(jī)械應(yīng)力致使器件及封裝的機(jī)械形變和疲勞損傷累計(jì)[2-3]，最終導(dǎo)致IGBT器件失效，鋁鍵合線脫落是其最主要的失效模式之一。因此，監(jiān)測IGBT鋁鍵合線狀態(tài)即檢測其早期故障，是提高其運(yùn)行可靠性的重要方法。
近年來，國內(nèi)外對鋁鍵合線失效、狀態(tài)監(jiān)測方面已有了大量研究。在失效分析方面，主要是通過仿真研究鋁鍵合線脫落對模塊性能的影響[4-6]。在狀態(tài)監(jiān)測方面，鋁鍵合線失效首先會影響IGBT模塊內(nèi)部的布局，進(jìn)而影響其端部特性[7-10]，比如飽和壓降、門極信號、閾值電壓、關(guān)斷時(shí)間等都可以作為狀態(tài)監(jiān)測參量反映器件的老化狀態(tài)?？偟膩碚f，在IGBT器件失效機(jī)制和可靠性評估方面研究已經(jīng)有了很大進(jìn)展?，F(xiàn)有可靠性評估方法各有優(yōu)勢，但也有其局限性。通過綜合對比，本文采用門極電壓的動(dòng)態(tài)變化作為識別IGBT鋁鍵合線故障的特征信號。
鍵合線脫落導(dǎo)致IGBT芯片內(nèi)部等效電路發(fā)生變化，而這種變化會表現(xiàn)在門極電信號上。由于雜散阻抗難以測量，故可以通過門極電壓信號的變化間接反映故障對雜散阻抗的影響。本文通過實(shí)驗(yàn)測取VGE，分析其在鋁鍵合線故障過程中的變化規(guī)律，在此基礎(chǔ)上利用小波并能量熵理論對門極電壓信號進(jìn)行次小波包分解并提取故障特征信息，為IGBT狀態(tài)監(jiān)測提供了依據(jù)。
1 IGBT模塊的失效機(jī)理及結(jié)構(gòu)特性
1.1 失效機(jī)理
研究功率器件失效機(jī)理是對其進(jìn)行狀態(tài)評估的基礎(chǔ)。圖1為IGBT模塊的層狀結(jié)構(gòu)。各層材料的熱膨脹系數(shù)(CET)不同，使得模塊承受熱沖擊或循環(huán)加熱冷卻時(shí)，不同材料的熱機(jī)械應(yīng)力不同導(dǎo)致鍵合線熔斷或脫落，最終導(dǎo)致IGBT模塊失效。當(dāng)器件在超過額定的電壓或電流范圍內(nèi)工作時(shí)，可能產(chǎn)生過電應(yīng)力，功率損耗增大，器件局部過熱，甚至使材料熔化，形成短路或開路，也就是說電應(yīng)力還會過渡到熱應(yīng)力，最終導(dǎo)致芯片失效。
圖1 IGBT封裝結(jié)構(gòu)示意圖
通過上述分析，IGBT的失效過程可以概括為：器件工作過程中，熱應(yīng)力、電應(yīng)力等因素使得IGBT模塊內(nèi)部的物理參數(shù)發(fā)生變化，通過鋁鍵合線的電流重新均流，使得通過個(gè)別鋁鍵合線的電流增大，從而加速鋁線的熔斷，當(dāng)所有鋁鍵合線都脫落時(shí)就會造成芯片失效。
1.2 結(jié)構(gòu)特性
鋁鍵合線發(fā)生脫落故障后影響IGBT器件整個(gè)雜散參數(shù)網(wǎng)絡(luò)。門極電路的雜散參數(shù)來自于鋁鍵合線和IGBT芯片。
鋁鍵合線與芯片都包含有雜散電阻、雜散電感、和雜散電容，各鋁鍵合線之間還存在互感，為簡化分析，鋁鍵合線之間的互感忽略不計(jì)，且認(rèn)為與鋁鍵合線有關(guān)的參數(shù)主要是雜散電阻和雜散電感，每根鋁線分別有雜散電阻和雜散電感的串聯(lián),與IGBT芯片有關(guān)的雜散參數(shù)主要是雜散電容。
IGBT芯片由MOSFET和BJT兩部分組成，圖2為IGBT芯片的典型內(nèi)部結(jié)構(gòu)。與MOSFET相關(guān)的雜散電容參數(shù)包括：門-源極金屬化電容CM，門-源極金屬氧化電容COXS，門-漏極交疊氧化電容COXD，門-漏極交疊耗盡層電容CGDJ，門-漏極交疊耗盡層電容CDSJ，其中CM與COXS組成CGE，COXD與CGDJ組成CGC；與BJT相關(guān)的雜散參數(shù)包括：射-集電極重分布電容CCER，基-集電極擴(kuò)散電容CEBD，基-集電極耗散電容CEBJ，基極電導(dǎo)調(diào)制電阻RB。
圖2 IGBT芯片的典型內(nèi)部結(jié)構(gòu)
2 鋁鍵合線脫落故障的影響
由于功率波動(dòng)等因素造成鋁鍵合線脫落故障時(shí)，首先會改變其自身的雜散電阻和雜散電感。門-射極電壓與終端電容有著直接的關(guān)系，所以鋁鍵合線全部脫落會影響終端電容，進(jìn)而又影響門-射極電壓。
2.1 鍵合線脫落對門極雜散阻抗的影響
鋁鍵合線是實(shí)現(xiàn)電連接的關(guān)鍵，通常為幾根并聯(lián)，每根鍵合線上由雜散電阻和雜散電感串聯(lián)而成，如圖3。當(dāng)部分鍵合線脫落、斷裂或翹曲時(shí)，并聯(lián)根數(shù)減少，鋁鍵合線的等效雜散電感和雜散電阻增大。
圖3 雜散電阻和雜散電感等效電路
鋁鍵合線故障也會影響終端電容，大電流的IGBT模塊中每個(gè)單元通常由兩個(gè)或更多IGBT芯片并聯(lián)，圖4為IGBT芯片的門極等效電路。CGC和CGE是影響門極電壓的主要參數(shù)，CCE的影響可忽略。
圖4 IGBT芯片門極等效電路
CGE計(jì)算公式為：
式中，AGE表示柵極多晶硅與發(fā)射極的金屬重疊面積，dOX_GE表示他們之間的氧化層厚度，
分別為真空介電常數(shù)和氧化層介電常數(shù)。鋁鍵合線全部脫落導(dǎo)致CGE減小。
米勒電容CGC由COXD和CGDJ組成，計(jì)算公式分別為：
由公式可知CGDJ的值與VCE有關(guān)，因此在開通暫態(tài)過程中門-集極等效電容CGC并不是固定的值：
其中，AGD為IGBT芯片中MOSFET部分門-漏極交疊面積；q為電子電荷；NB為基區(qū)的摻雜濃度；εsi為硅的介電常數(shù)。由于鍵合線全部脫落會使AGD減小，CGDJ和COXD隨之減小，因此CGC減小。
由上述分析可知，鋁鍵合線部分脫落影響其等效雜散電阻和雜散電感，全部脫落后還會影響其等效雜散電容值。又由于柵極等效電容與鋁鍵合線電阻數(shù)量級上的差異，鋁鍵合線全部脫落時(shí)，雜散電容變化對門極電壓的影響占主導(dǎo)。
2.2 雜散阻抗變化對門極電壓波形的影響
IGBT模塊雜散參數(shù)的變化導(dǎo)致門極開通電壓波形發(fā)生改變。根據(jù)VCE和VGE的變化可將IGBT的開通暫態(tài)過程分為圖5所示的3個(gè)階段：
圖5 IGBT器件開通暫態(tài)過程
階段1(t1<t<t2)：門極電壓VGE開始上升但還未達(dá)到VGE(th)，IGBT器件仍然處于關(guān)斷狀態(tài)。門極電流給CGE和CGDJ充電，充電時(shí)間常數(shù)為τ=(Rw+Rg)(CGE+CGDJ)。鋁鍵合線部分故障雜散電阻增大，因此門極電壓上升時(shí)間增大，上升速度減緩；芯片失效導(dǎo)致CGE減小，即門極回路內(nèi)部雜散電容減小，所以門極電壓上升時(shí)間減小，上升速度加快。
階段2(t2<t<t3)：門極電壓超過VGE(th)，IGBT器件導(dǎo)通。米勒電容CGC的存在，使得VGE出現(xiàn)米勒平臺期，恒流源全部向CGC充電，因此米勒平臺持續(xù)時(shí)間與CGC有關(guān)。鍵合線全部脫落導(dǎo)致CGC減小，所以米勒平臺持續(xù)時(shí)間會縮短。捕捉米勒平臺需要示波器具有很高的分辨率。
階段3(t3<t<t4)：VCE下降至通態(tài)飽和壓降，VGE逐漸上升至穩(wěn)態(tài)值。由式(3)可知，CGC=COXD為常數(shù)。同階段一，鋁鍵合線部分故障VGE上升速度減慢，芯片失效時(shí)VGE上升速度加快。
綜上可知，第一階段和第三階段具有相同的變化規(guī)律，故在未能捕捉到米勒平臺的情況下，可將第一、三階段聯(lián)合起來分析。
3 實(shí)驗(yàn)測試及結(jié)果
在實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)際工況下功率循環(huán)等因素造成IGBT器件鋁鍵合線故障。研究鋁鍵合線脫落過程中門極電壓的變化規(guī)律。
圖6為開關(guān)特性測試電路，Vdc=450 V，驅(qū)動(dòng)電壓高電平+15 V，頻率為10 kHz，負(fù)載阻抗為3 mH，20 Ω，柵極電阻Rg=10 Ω，示波器采樣頻率為1.25 GS/s。測量鋁鍵合線正常和分別脫落1-6根時(shí)IGBT模塊的門極開通電壓VGE，圖7為正常和鋁鍵合線發(fā)生脫落故障時(shí)門極開通電壓波形比照圖。
圖6 測試電路
由圖可以看出，當(dāng)一塊IGBT芯片上的鋁鍵合線全部脫落即芯片失效時(shí)，VGE波形明顯向左上方偏，即上升速率增大；當(dāng)鋁鍵合線發(fā)生部分脫落故障時(shí)，VGE波形向右下方偏，即上升速率減小，而且由于各種寄生參數(shù)的存在，其波形并不是隨著鋁鍵合線脫落根數(shù)的增加逐漸向下偏而是有所交叉。由于我們目的不是準(zhǔn)確判斷幾根鋁鍵合線脫落而是鋁鍵合線是否已經(jīng)出現(xiàn)脫落現(xiàn)象，而且一根鋁鍵合線脫落會加速其他鋁鍵合線脫落，所以只要監(jiān)測出VGE發(fā)生異常就應(yīng)該及時(shí)更換IGBT模塊。
圖7 鋁鍵合線正常和故障時(shí)門極電壓波形
4 故障特征信息提取
故障初期VGE波形變化可能不明顯，人眼辨識存在一定的局限性，這就要求對所測信號進(jìn)行處理，以便抽取出有用的故障信息或找出區(qū)別于電路正常工作信號的特征。本節(jié)將小波分析與信息熵結(jié)合，將小波包分解的能量信號作為故障特征量，求取其能譜熵值，通過熵值的變化來判斷IGBT器件是否發(fā)生鋁鍵合線故障。
將小波變換與信息熵結(jié)合，可以得到信號的小波能譜熵、小波時(shí)間熵等定義及其計(jì)算方法。IGBT器件老化失效使得VGE發(fā)生變化，意味著電壓的頻譜不一樣，相應(yīng)的各頻帶信號的能量也會發(fā)生變化，因此本文選用小波能譜熵的計(jì)算方法進(jìn)行分析。
設(shè)E=E1，E2，…，Em，為信號VGE在m尺度上的小波能譜。根據(jù)正交小波變換特性，某一時(shí)間窗內(nèi)信號的總功率E等于各分量功率Ej之和，設(shè)pj=Ej/E，則∑pj=1，相應(yīng)的小波能譜熵的定義為：
式中pj表示尺度Ej的能量占整個(gè)函數(shù)能量的百分比，各分量的功率為：
式中，Dj(n)為小波分解系數(shù)，n為采樣點(diǎn)數(shù)。為克服小波分解在高頻段頻率分辨率較差而在低頻段時(shí)間分辨率差的問題，本文采用更精細(xì)的小波包分解。
小波能譜熵代表信號在各個(gè)小波尺度上能量分布均勻性。信號頻率成分越簡單，信號能量就越集中于少數(shù)幾個(gè)尺度上，小波能譜熵就越小[11]。
按照式(5)、式(6)對電壓信號進(jìn)行小波包分解并計(jì)算能譜熵得到表1結(jié)果。
從表1可以看出，VGE的能譜熵可以作為表征鋁鍵合線脫落故障的特征值。當(dāng)鋁鍵合線發(fā)生脫落1-5根時(shí)，VGE的能譜熵值減小26%~37%，雖然沒有隨鋁鍵合線故障根數(shù)增加嚴(yán)格遞減，但是相對于正常情況下也發(fā)生了較大變化；當(dāng)鋁鍵合線全部脫落時(shí)，其能譜熵值增大了99.96%，較正常值發(fā)生了很大變化。故用小波能譜熵的分析方法對IGBT鋁鍵合線的脫落故障進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測是可行的，這種方法物理意義明確且容易實(shí)現(xiàn)。
5 結(jié)論
本文在分析鋁鍵合線故障對雜散阻抗和門極電壓的影響的基礎(chǔ)上，通過實(shí)驗(yàn)?zāi)M鋁鍵合線脫落故障并測量門極電壓變化，得出如下結(jié)論：
(1)鋁鍵合線故障前后，門極開通電壓發(fā)生了變化且表現(xiàn)出一定的規(guī)律：部分鋁鍵合線脫落VGE向右下角方向偏，全部脫落時(shí)其波形向左上角方向偏。
(2)通過小波能譜熵算法計(jì)算鋁鍵合線故障前后的能譜熵值，故障值較正常值變化明顯，結(jié)果直觀、準(zhǔn)確，為實(shí)現(xiàn)IGBT器件的狀態(tài)監(jiān)測提供了依據(jù)。
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