車載IGBT可靠性及其壽命評估研究

貞光科技從車規(guī)微處理器MCU、功率器件、電源管理芯片、信號處理芯片、存儲芯片、二、三極管、光耦、晶振、阻容感等汽車電子元器件為客戶提供全產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)解決方案。

摘要

IGBT作為新能源汽車電機控制器的核心部件，直接決定了電動汽車的安全性和可靠性。本文主要介 紹采用熱敏感電參數(shù)法提取IGBT結(jié)溫，并結(jié)合CLTC等試驗工況得出對應(yīng)結(jié)溫曲線，通過雨流分析、Miner線性累 積損傷準(zhǔn)則等評估整車壽命周期內(nèi)IGBT模塊的熱疲勞壽命，最后結(jié)合電機控制器總成的試驗現(xiàn)狀，提出總成級試 驗中進行IGBT加速試驗的可行性方案。

IGBT是能源變換與傳輸?shù)暮诵钠骷?俗稱電力電子裝置 的“CPU”。在新能源汽車中，IGBT直接控制驅(qū)動系統(tǒng)直、交 流電的轉(zhuǎn)換，決定了車輛的扭矩和最大輸出功率等，是汽車 動力總成系統(tǒng)的“心臟”。在新能源汽車中大量使用了IGBT功率器件，例如：電控、OBC、空調(diào)系統(tǒng)及充電樁等，如圖1所示。據(jù)統(tǒng)計，IGBT等功率器件占到整車成本的7%～10%。

在電機控制器中，IGBT將動力電池的高壓直流電轉(zhuǎn)換 為驅(qū)動三相電機的交流電，為電機提供動力。在汽車運行 過程中，啟停、頻繁加減速等會使IGBT模塊功率發(fā)生變化，IGBT結(jié)溫也會隨之不斷循環(huán)變化，溫度變化產(chǎn)生的熱應(yīng)力 會使模塊內(nèi)部焊層之間產(chǎn)生蠕變熱疲勞或失效。因此，IG－BT模塊的結(jié)溫變化是影響其工作壽命與可靠性的主要因素。本文采用熱敏感電參數(shù)法提取IGBT結(jié)溫，并結(jié)合CLTC等試 驗工況得出對應(yīng)結(jié)溫曲線，通過雨流分析、Miner線性累積 損傷準(zhǔn)則等分析和評估整車壽命周期內(nèi)IGBT模塊的熱疲勞 壽命，提出在總成級試驗中進行IGBT加速試驗的可行性方案。

1 IGBT概述

1.1什么是IGBT？

IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極型 晶體管） 是由雙極結(jié)型晶體管 （BJT） 和金屬-氧化物-半導(dǎo) 體場效應(yīng)晶體管 （MOSFET） 復(fù)合而成的結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

它結(jié)合了兩者的優(yōu)點，具有輸入阻抗高、功耗小、熱穩(wěn)定 性好、驅(qū)動簡單、載流密度大、通態(tài)壓降低等優(yōu)勢。

1.2 IGBT的結(jié)構(gòu)

IGBT由芯片、覆 銅陶瓷襯底、基板、 散熱器等通過焊接而 成，如圖3所示。

1.3 IGBT的熱特性

熱特性是IGBT功 率器件的靈魂。芯片 工作產(chǎn)生的熱量通過 不同的介質(zhì)、界面?zhèn)?遞到散熱器，將熱量 散出，傳遞路徑的熱阻用Rthjc來表示，如圖4所示。

IGBT模塊的發(fā)熱主要來源于功率損耗。功率損耗包括IGBT損耗和FWD損耗，其又分為開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗，如 圖5所示。功率損耗與電流Ic、飽和壓降Vce、開關(guān)頻率等多 因素有關(guān)。

2 IGBT可靠性要求

2.1 IGBT模塊可靠性要求

對于車規(guī)級IGBT模塊，由于使用環(huán)境嚴(yán)酷，工況復(fù)雜， 壽命要求高，因此對IGBT模塊性能和可靠性提出了越來越 高的要求，如圖6所示。

2.2電控總成可靠性試驗現(xiàn)狀

據(jù)統(tǒng)計，IGBT損壞引起的故障占電控售后問題的首位， 是電控總成的短板。根據(jù)“木桶”原理，解決IGBT失效問 題對于降低電控總成失效率非常重要。但是，目前電控總 成可靠性試驗主要參考707企標(biāo)，沒有考慮功率器件產(chǎn)品自 身發(fā)熱引起的溫度變化，也沒有考慮冷卻液循環(huán)帶來的溫 度穩(wěn)定，比較適用于低壓電氣產(chǎn)品可靠性試驗，對功率器 件產(chǎn)品不適用。如何在電控總成試驗中加速IGBT的老化磨 損將是我們需要重點研究的課題。電控問題統(tǒng)計柏拉圖如 圖7所示。

2.3 IGBT模塊可靠性試驗

對于車規(guī)級IGBT模塊，AQG 324、QC/T 1136等標(biāo)準(zhǔn)對 可靠性均有相關(guān)要求。以QC/T 1136為例，IGBT模塊可靠性 包括芯片可靠性和封裝可靠性，如表1所示。

2.3.1功率循環(huán)試驗 （主動）

1） 功率循環(huán)試驗(PCsec/PCmin)：檢驗綁定線與芯片的 連接點可靠性以及芯片與DCB焊接層的可靠性。功率循環(huán)試 驗 （PCsec） 曲線如圖8所示。

2） 功率循環(huán)(PCmin)：檢驗綁定線與芯片的連接點可靠性，芯片與DCB焊接層的可靠性以及DCB與Baseplate焊接 層的可靠性。

2.3.2溫度循環(huán)/沖擊試驗 （被動）

溫度循環(huán)(TC)：從Baseplate底部緩慢加熱整個封裝，檢 驗具有不同熱膨脹系數(shù)的材料之間連接的可靠性。熱膨脹 系數(shù)如圖9所示。

2.4 IGBT模塊失效模式

IGBT模塊失效主要分為機械失效和電氣失效，其中機 械失效包括綁定線、焊接層及封裝/端子的老化所造成的使 用壽命終結(jié)，其主要是由功率循環(huán)產(chǎn)生結(jié)溫變化引起。此 外，還包括過壓、過流、其它因素 （如氣候變化、化學(xué)腐 蝕） 所造成的失效，如圖10所示。

IGBT失效同樣適用可靠性“浴盆”曲線，在不同階段 呈現(xiàn)不同表現(xiàn)形式，如圖11所示。本文重點研究耗損失效中由于熱機械應(yīng)力導(dǎo)致的IGBT失效，而這一部分正是IGBT耐久失效的主要原因。IGBT耗 損失效如圖12所示。

3 IGBT使用壽命分析與評估

3.1研究思路

根據(jù)IGBT失效模式可知，結(jié)溫變化是影響其使用壽命的主要因素。評估IGBT的使用壽命就需要首先獲得其在用 戶工況下的結(jié)溫曲線，然后結(jié)合IGBT功率循環(huán)壽命曲線， 應(yīng)用累積損傷理論評估IGBT的使用壽命，具體分析步驟如 圖13所示。這其中主要關(guān)鍵點及難點如下所述。

1） 用戶代表工況選取，目前采用NEDC或者CLTC工況。

2） 工況中結(jié)溫測量和結(jié)溫曲線的獲取，實車中很難通 過布置傳感器的方案來直接獲取結(jié)溫曲線。目前有兩種可 行方法：一種是通過計算功率損耗，結(jié)合熱仿真模型獲得；另一種是通過間接的熱敏感電參數(shù)法獲取相應(yīng)的結(jié)溫曲線， 詳見3.3.2分析。

3） 溫度分布：采用雨流法分析。

4）IGBT壽命曲線，一般由IGBT模塊廠家提供。

5） 壽命評估，使用溫度分布數(shù)據(jù)和IGBT壽命曲線結(jié)合 損傷理論進行壽命評估。

3.2 IGBT結(jié)溫測試的幾種方法

3.2.1物理接觸測量法

把熱敏電阻或熱電偶等測溫元器件焊接于IGBT內(nèi)部， 從而獲取模塊內(nèi)部基板的溫度。測試方便但存在較大測量 誤差，如圖14所示。

3.2.2光學(xué)非接觸測量法

先將IGBT模塊打開， 除去透明硅脂，然后將IG－BT芯片表面涂黑，以提高 溫度測量準(zhǔn)確性，最后通 過熱像儀等采用紅外熱成像 方法測試結(jié)溫。屬于破壞性 測量方法，如圖15所示。3.2.3熱敏感電參數(shù)法 利用半導(dǎo)體功率器件內(nèi)部微觀物理參數(shù)與器件溫度具 有一一對應(yīng)的映射關(guān)系，將芯片本身作為溫度傳感部件， 將其自身難測的內(nèi)部溫度信息反映在模塊外部易測的電氣 信號上，對芯片結(jié)溫進行逆向提取，如圖16所示。

3.3試驗方案

3.3.1任務(wù)曲線建立

為了保證IGBT模塊使用壽命的可比性，通常采用標(biāo)準(zhǔn) 的駕駛循環(huán)作為基本工況。國內(nèi)一般采用NEDC（New Eu－ropean Driving Cycle，新標(biāo)歐洲循環(huán)測試） 或CLTC（China Light-duty Vehicle Test Cycle，中國輕型汽車行駛工況） 作 為基本工況。以CLTC工況為例，采集電機控制器在此工況 下的電壓電流值，如圖17所示。

3.3.2結(jié)溫曲線

本文采用熱敏感電參數(shù)法反推獲得IGBT模塊在CLTC工 況下的結(jié)溫曲線。

1） 溫度系數(shù) （K-factor） 測試

參考JESD51-1《集成電路熱測試方法》 測試K系數(shù)。測 試步驟如下：設(shè)定好溫度環(huán)境TL0，當(dāng)器件外殼溫度穩(wěn)定時 給IGBT模塊施加小電流 （10mA） 記錄集電極和發(fā)射極間壓 降大小VL0，然后將環(huán)境溫度升高到THi，按上述要求記錄此 時壓降。兩次溫度值的差值除以電壓差值即為K系數(shù)。

通過Power Tester 1800A功率循環(huán)測試儀測試K系數(shù) （圖18），結(jié)果如下：K-Factor：-2.694mV/℃。

2） 瞬態(tài)熱測試 （負(fù)載）

測試原理圖如圖19所示。根據(jù)任務(wù)曲線得到的負(fù)載電 流，基于能量守恒，采用MATLAB軟件將電流譜處理成300個恒定電流值便于實際加載測試。測試方法如下：①在IG－BT Gate上加上15V電壓，使Gate完全打開，在CE之間用大 電流加熱，使之達到熱平衡；②在器件達到熱平衡之后， 瞬間從大電流切換到小電流 （10mA），測量壓降Vce；③測試 結(jié)果如圖20所示，根據(jù)K系數(shù)中結(jié)溫與Vce的之間的關(guān)系，得 出CLTC工況下的結(jié)溫曲線，如圖21所示。

3.3.3溫度分布 （ΔT）

Ncode雨流分析流程如圖22所示。為了將任務(wù)曲線引起 的結(jié)溫變化與功率循環(huán)壽命曲線進行比較，采用雨流計 數(shù)法統(tǒng)計不同結(jié)溫變化ΔT出現(xiàn)的頻次。溫度分布ΔT如圖23所示。

3.3.4功率循環(huán)壽命曲線

研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度變化過程中的最高結(jié)溫小于120℃時， 可以利用Coffin-Manson模型進行預(yù)測，該模型被廣泛用于描 述半導(dǎo)體模塊PC過程的失效規(guī)律。后經(jīng)Arrhenuis修正，將 平均結(jié)溫Tjm納入考核范圍，得到LESIT模型：

隨著封裝技術(shù)的改進，IGBT模塊的壽命有了很大提高。焊 料層疲勞成為與鍵合線同等重要的失效機制。2008年Bayerer考慮到功率循環(huán)試驗中溫度波動范圍、最大結(jié)溫Tjmax、模塊 鍵合線直徑D、直流端電流i、阻斷電壓V等因素都會對器件 壽命造成影響，得到了CIPS多參數(shù)模型：

通過功率循環(huán)試驗確定模型參數(shù)，繪制如圖24所示的 功率循環(huán)壽命曲線。

3.3.5IGBT壽命評估

根據(jù)溫度分布ΔT，并參考功率循環(huán)壽命曲線，將一個 駕駛循環(huán)中所有ΔT下的損傷相對其出現(xiàn)的頻次加權(quán)求和， 可得到一個駕駛循環(huán)下的累積損傷。該累積損傷的倒數(shù)即 是功率模塊的使用壽命，即：

式中：ni———在一個駕駛循環(huán)中，ΔTj出現(xiàn)的次數(shù)；Ni———在功率循環(huán)壽命曲線中，ΔTj對應(yīng)的循環(huán)次數(shù)；Nf———功率模塊使用壽命。

通常整車的使用壽命是30萬公里，一個CLTC的行駛里 程大約是14.48km，則整車至少需要運行20718個CLTC才滿 足壽命要求，通過計算Nf =13973605，遠(yuǎn)大于20718，滿足整 車的使用壽命要求。

4電控總成IGBT加速試驗

既然IGBT失效占電控總成失效的絕大多數(shù)，那么電控總 成試驗中IGBT的考核是否足夠？如何進行IGBT加速試驗?zāi)兀?/p>

通過上述分析可知，IGBT模塊的結(jié)溫變化是影響其工 作壽命與可靠性的主要因素。因此在總成試驗中，結(jié)溫變 化的幅度和頻次將直接影響其使用壽命。以冷熱沖擊試驗 為代表的被動“功率循環(huán)試驗”將是一個很好的試驗方案。

由于該試驗工作模式1.1，屬于被動加熱引起的結(jié)溫變 化，其中ΔT=125℃、N0=215次，遠(yuǎn)低于行標(biāo)要求。根據(jù)IG－BT熱循環(huán)壽命曲線 （圖25），當(dāng)ΔT=125℃時壽命循環(huán)數(shù)N1約3000次，故冷熱沖擊試驗考核僅占全壽命周期的7.2%，屬 于考核偏弱，可適當(dāng)增加循環(huán)數(shù)或加大溫度變化范圍，如 表2所示。

此外，通過分析NEDC或CLTC等駕駛工況可知，主動 “功率循環(huán)”產(chǎn)生的結(jié)溫變化頻次較多，但幅度偏小。以CLTC工況為例，根據(jù)3.3.3雨流分析結(jié)果可知ΔTmax=25℃，根 據(jù)IGBT壽命曲線則需要至少107循環(huán)數(shù)。在兼顧其它部件的 考核基礎(chǔ)上合理修正工況，如增加啟?；蚣奔?減速工況也 是一種可行的加速試驗方案。

5總結(jié)

本文通過介紹IGBT模塊的結(jié)構(gòu)、失效模式等說明熱疲 勞是影響IGBT使用壽命的主要因素。并基于此建立了IGBT使用壽命評估方法，將整車設(shè)計壽命與IGBT使用壽命結(jié)合 起來，從而能夠從行駛里程的角度快速評估IGBT功率模塊 是否能夠滿足整車使用壽命的要求。此外，針對電控總成 的試驗現(xiàn)狀，提出在總成級試驗中進行IGBT加速試驗的可行性。對于主動“功率循環(huán)”試驗，如何優(yōu)化試驗工況， 提升ΔTmax進行加速試驗還需要進一步研究。當(dāng)前以SiC和GaN為代表的第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料開始逐漸應(yīng)用在新能 源汽車上，其可靠性也將是我們后續(xù)關(guān)注的方向。

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