【原】【学术论文】IGBT模块失效机理和主动热控制综述

   摘 要 ： 

随着新能源发电、混合动力汽车以及工业设备等领域中电力分配及控制的有效性需求的增加，IGBT的运行可靠性问题亟需解决。梳理了IGBT模块的主要失效机理，并以此为理论基础，对国内外在IGBT模块主动热控制方面的研究进行归纳分析。最后结合实际对主动热控制的发展前景寄予展望。

中文引用格式： 周小康，马奎，梁蓓. IGBT模块失效机理和主动热控制综述[J].电子技术应用，2020，46(2)：18-23.
英文引用格式： Zhou Xiaokang，Ma Kui，Liang Bei. Summary of IGBT module failure mechanism and active thermal control[J]. Application of Electronic Technique，2020，46(2)：18-23.

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引言

电力电子设备因其能量转换效率高、主动可控性和较快的动态响应速度等优点^[1]，广泛应用于对于可靠性需求较高的新能源发电、航空航天、高速机车牵引、混合动力电动汽车和工业电机驱动等领域中。在这些场合应用时，电力电子设备会面临各种或规律或不规律的功率大波动以及各种周期或非周期性的强机械振动等极端工况^[2]，相关统计^[3]表明，在光伏发电系统中计划外的检修有37%是由变流器故障引起的。而在变流器中^[4]（如图1所示）功率器件常被列为最易失效的部件，同时根据调查，在工业中最常用的功率器件是IGBT^[3]。目前，对电力电子设备可靠性的研究主要包括失效机理研究、寿命预测^[5]、状态监测^[6]和主动热控制^[7]等。

本文首先梳理了近年来国内外IGBT模块失效机理的相关研究内容，其次重点总结了主动热控制方向的研究工作，分别对主动冷却、热电制冷和电参数法这三种主动热控制方法的研究进展进行了分析，最后从提高器件封装可靠性设计、改善器件运行外部工况角度对IGBT模块主动热控制方向的未来工作进行展望。

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IGBT故障模式和失效机理

对于IGBT模块，它的失效涉及电、热、机械等多方因素^[8]，并且失效过程与IGBT本身的动态特性是密切相关的。其失效机理根据时效性可以分为两种：过应力失效和磨损失效。过应力失效是瞬时的、灾难性的；而磨损失效则是长时效性的，器件内部疲劳会随时间逐步累积，同时伴随着外部电路及工况等因素的相互影响，导致器件性能逐渐退化直至失效。

1.1 过应力失效机制

过应力失效主要与功率芯片的过压过流过热等情况的发生有关。在芯片发生过压与过流时，模块内部会产生大量热量从而导致器件过热损毁，并且器件存在发生二次击穿的风险^[9]。由于过应力失效发生的瞬时性，因此需要确保选用IGBT模块时留有足够的安全裕量或器件充分散热，以保证模块在安全工作区内运行。

1.1.1 短路

IGBT模块运行的各个时间段都有发生短路现象的可能。开启期间的IGBT发生栅极电压过高^[10]和外部故障可能就会引起短路。导通状态期间静态闩锁^[11]或由二次击穿引起的过温^[12-14]以及能量冲击^[15-16]等现象也会引起模块短路。关断期间动态闩锁^[17-18]或高压击穿^[19-20]同样可能导致器件短路。而关闭状态下的热失控现象也会造成模块故障。短路机制如表1所示。

在IGBT关断瞬间，IGBT会存在高压、大电流现象。由于IGBT在关断时，首先关断元胞区，再关断过渡区(元胞区与终端区中间过渡的部分)，最后才是关断器件的终端区。由于关断IGBT自身不同区域存在时差，会存在如当元胞区己经关断时，存留于IGBT器件内部的电流就会立即往仍处于开通状态的区域(比如终端区)涌去造成电流集聚现象，而电流过度集中则会形成电流丝，进而促发器件内部产生动态雪崩现象，这在文献[22]中称为延迟故障。通过实验和数值模拟验证，大的漏电流导致热失控^[23]，而通过研究发现，可以通过 E_C这个能量节点来解释反复短路操作中灾难性故障和磨损故障的失效机理。当短路能量低于E_C时，IGBT还能继续重复运作10⁴次。但是，当短路能量远远超出E_C时，由于热失控，IGBT在首次短路后就很可能会发生故障。尽管在现有技术研究^[24-25]中已经进行了许多实验和数值模拟，但能量大于E_C时所发生的失效由于IGBT过应力失效的瞬时性，依旧难以分析。

1.1.2 断路

IGBT的断路故障源于振动所导致外部断开，以及由于短路电流过大引起的键合线剥离或破裂^[26]。它可能产生电流脉冲，输出电流或电压失真，并在一段时间后导致其他组件的二次故障。断路也可能是由于没有栅极驱动信号，如设备中元件的损坏以及IGBT与设备之间连接线损坏等^[27]。

1.2 磨损

对于典型的多层引线键合IGBT模块(图2)，当变流器处理大范围的随机波动功率时，电流使IGBT模块长期承受热循环冲击^[28]。由于IGBT各层材料与芯片的热膨胀系数(Coefficient of Thermal Expansion，CTE)的差异与温度波动相结合导致了各层的热形变。其中，键合线失效^[29-33]和焊料层失效^[34-36]是磨损失效的主要方式。

1.2.1 键合线失效

众所周知，典型多层引线键合IGBT模块内的三个易失效的点是硅芯片互连的铝键合线、硅芯片-DCB焊点以及DCB-基板焊点^[29]。IGBT模块中最常见的失效机制之一是键合线剥离。这种失效机制是由于CTE失配(铝和硅之间)与温度波动的耦合所造成的^[30]。图3(a)展示了结温变化幅度较大的热疲劳测试中，裂纹沿着铝键合线与芯片表面的接触界面的两端传播到中心的一种裂纹扩展现象。当裂纹到达中心时，键合线会翘起^[31-32]。根据文献[33]，通过在硅芯片顶部安装应变缓冲器或使用将连接线粘到硅芯片上的涂层等不同的技术手段，可以延缓键合线的翘曲现象。键合线根部开裂是标准键合IGBT模块中可能出现的另一种失效机制。这种失效是由欧姆自热所造成的，因此键合线根部裂纹是一种比翘曲更为漫长的失效机制^[32]。

1.2.2 焊料层失效

引线键合的IGBT模块的另一个主要失效机制是焊料空洞和开裂^[34]。在一个标准的IGBT模块中有两个焊料层：硅芯片DCB之间的焊料层和DCB基板之间的焊料层。因为DCB基板与基板之间的CTE失配系数高于DCB基板与Si之间的，所以DCB基板与基板之间的焊料层更为脆弱。而由于CTE失配，各层材料之间产生交变应力，使材料弯曲变形并产生蠕变疲劳，导致焊料层出现裂纹和空洞，进而影响了器件内热量的有效传导(正反馈过程)，加速了器件的老化进程。而芯片连接的热阻增加也将引发严重的局部加热使芯片损毁^[35]。

功率器件的磨损失效过程十分复杂，文献[36]认为焊料失效是IGBT失效的主要失效机理，文献[37]发现键合线故障总是出现在焊料层过温后。同时在老化试验中，有70%的功率模块最终失效表现是键合线剥离或熔断[38]。因此器件磨损失效是键合线和焊料层失效共同作用下的表现。

2

主动热控制

功率器件的主动热控制，是将器件结温作为反馈量，通过控制器件电气参数或外部条件对器件运行状态进行调整以提高功率器件的可靠性，并延长器件的使用寿命的一种技术。功率器件的主动热控制可分为内部热控制和外部热控制^[39]。

2.1 外部热控制

外部热控制主要通过在器件外部添加散热装置按照一定的控制策略调节器件外壳到环境的热阻，以达到调整器件散热方式和散热速率的效果。

2.1.1 主动冷却

主动冷却是指冷媒循环传热，利用媒介将热量从器件内部加速带出至环境中。目前主动冷却的方式有：风冷、直接液冷、微通道、两相强制对流、射流冲击以及喷雾换热。

标准的主动冷却方法中，风扇以恒定的速度驱动，并施加恒定的偏压。若以温度调节的方式来区分，如图5所示，它是一种前馈控制的方法，在系统中，功率耗散和环境温度都会被调节模块所感应到，然后调制风扇转速，来将给定位置处的温度(TX)降至最低^[40]。其优点在于这个系统是开环的(即它不受稳定性问题和环境条件的影响)，这种主动冷却的方法可以预测温度变化，也就是说，可以在温度发生任何变化之前对干扰(功耗的变化)作出反应，从而使系统拥有更高的效率。其限制是无法直接监测和调节TX，而TX是一个实际变量，其值会受给定的参考值的约束^[41]。

IGBT应用过程中，IGBT的散热设计需要考虑选择单侧冷却或双侧冷却。而与单侧冷却液相比，双面冷却液可以散去器件内76%以上的热量。然而，常规焊接式的IGBT很难满足双面冷却的要求。而相较于焊接式的IGBT，压接式IGBT是最为合适的候选模块，其可靠性高，且两侧的导热系数高^[42]，但其造价较高，使用范围较窄。目前，大部分的冷却方式，如强迫风冷和单相液冷，都使用单侧冷却。当散热面比较大的时候有各种各样的被动冷却方法将热量散出，但如果可用于散热的面积很小，则不可避免地需要使用到主动冷却方法。

2.1.2 热电制冷

热电制冷主要利用珀尔帖效应将器件温度传至环境中，其制冷效果主要取决于电偶对材料的热电势^[43-44]。由于半导体材料具有较高的热电势，因此，可以用它来制成小型的热电制冷器。由于热电制冷器不需要介质，又无机械部件，可靠性高，并可以逆向运转，而且温度可以精确地控制在±0.01 ℃^[45]，在电子设备或电子元器件的热控制方面得到了比较广泛的应用。早期的热电制冷主要注重静态的热负载的研究^[46]，但随着电力电子技术的发展，器件工况越来越复杂，就需要将器件温度作为一种动态热负载来看待，即需要考虑更多的问题如额外功耗以及新的控制电路等^[47]。目前，热电制冷（TEC）已成为制冷领域的一个重要发展方向，但是由于其转换效率过低且材料成本较高，难以得到广泛应用。

2.2 内部热控制

内部热控制主要从器件发热源头上进行温度控制，可调节的因素包括开关频率、开关调制方式和驱动波形等，如图6所示^[48]。

(1)开关频率

功率器件在应用中，开关频率的大小直接影响开关损耗，因此可以通过调节开关频率对器件结温进行控制。文献[49]中报道了几种方法，主要用改变脉冲宽度调制（PWM）的频率来限制最大结温。在文献[50]中采用了相同的技术，其目的也是采用滞环频率控制来限制结温变化，对变频器启动阶段的温度冲击抑制效果进行了实验验证，具有良好的控制效果。

(2)开关调制方式

众所周知，器件损耗也会受到开关调制方式的影响，因此也可以通过改变开关调制方式来控制结温。文献[51]、文献[52]中通过在连续和离散的60°PWM之间的转换来减少损耗以达到控制结温的效果，但由于对电流纹波的影响有所不同，需要仔细考虑应用。

(3)开关驱动波形调整

器件开关损耗还受门极驱动信号的影响，因此可以通过调整开关驱动波形实现损耗控制^[53]。实现方式是通过外部驱动电路设计以调节驱动电压的幅值、上升时间、下降时间等。因此，该方法对驱动电路的精度和速度有着较高要求。

    综上所述，不同设备都可以通过主动热控制来实现功率模块中热循环的减少。主动冷却可以通过外部设施来达到降低器件内部结温的目的，但气温过低时无法通过利用其进行升温操作，使用时需要集成其他设备来完成这一操作；热电制冷可以通过珀尔帖效应平滑结温，但其转换效率过低且材料价格高昂；电参数法可以直接从发热源头控制温度，但只能通过控制开关损耗来降低结温，而这种控制却是以降低系统性能为代价，使用时需要根据实际情况来平衡。

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结论

本文系统地综述和比较了IGBT模块的各种失效机理，包括过应力失效和磨损失效。并重点介绍了主动热控制这种提高电力电子系统可靠性的实现手段。

借助对失效机理的研究，内部对IGBT模块以优化封装结构、优化材料、优化开关等方法提高电力电子设备的运行可靠性，外部通过主动冷却，根据功耗和环境温度的变化调节散热效率维持恒温来提高IGBT模块的可靠性。

功率器件通常工作在随机的功率下，因此利用主动热控制技术能很好地实现对于结温的控制，但同时，作为新兴的一种热保护手段，它也还有很多限制，比如在进行控制时并没有一个整体的系统框架，环境温度与功耗两者之间的调节仍无准确算法，无法对每次开关都进行完美控制，也没有考虑模块的老化所导致的问题以及如何平衡器件性能和温度控制之间的关系等。总而言之，研究IGBT功率模块的主动热控制技术具有十分重要的理论和实际工程意义。

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作者信息:

周小康1，马  奎1，2，梁  蓓1，2

(1.贵州大学 大数据与信息工程学院，贵州 贵阳550025；

2.半导体功率器件可靠性教育部工程研究中心，贵州 贵阳550025)

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