IGBT 模块寿命评估实验依据-Power Cycling Test

贝思科尔 2023年06月07日 14:10

IGBT模块概述

随着高速动车组列车、电动汽车及其充电桩、5G 通信设备、交直流混合配电网、柔性直流输电、新能源发电装置等这些新兴科技的迅猛发展，始终离不开电力电子技术的广泛应用和迭代更新，而作为电能变换与控制核心组件之一的 IGBT 模块则成为传统工业升级改造的关键。与此同时，电力供电的持续稳定、交通运输的安全畅通、通信传递的及时准确等各行业基本需求对 IGBT 模块的可靠性也提出了越来越高的要求。

应用于电力电子系统的 IGBT 模块，由于自身的开通关断、处理功率的波动性以及外部运行环境的变化，长期承受不均衡的电热应力，在运行过程中易产生热疲劳，降低其可靠性。热疲劳失效是 IGBT 模块在其正常寿命历程中始终伴随的必然失效。寿命评估是提高 IGBT 模块可靠性的关键技术之一。目前行业里公认的评估IGBT模块寿命的实验依据是功率循环测试。

IGBT 模块及其散热系统结构描述，IGBT 模块是由多层不同物理材料组成，从上到下依次为硅芯片、芯片焊料层、直接覆铜陶瓷基板（Direct Bonded Copper, DBC）、基底焊料层和铜基板。DBC 的结构为三明治形式，它一般由铜、陶瓷、铜三种材料组成，起到电气绝缘、机械支撑以及散热等作用。键合线焊接在芯片顶端和引线端子之间，起到电气连接的作用。此外，为了加快工作时产生的热量向周围进行传递，导热硅脂和散热器会安装在 IGBT 模块的底部。

IGBT 模块及其散热系统结构图

当 IGBT 模块处于正常工作时，电流会流经键合线，芯片会产生功率损耗，使得 IGBT 模块运行温度升高；又由于 IGBT 模块的开通和关断动作以及处理功率的波动性和间歇性，IGBT 模块内部容易产生温度变化；加之 IGBT 模块内部层与层之间的热膨胀系数不匹配，受到温度变化作用时，每一层材料膨胀收缩体积不一，容易产生挤压-拉伸，引起剪切应力和弯曲形变，最终导致 IGBT 模块热疲劳失效。

功率循环实验Power Cycling Test

PC实验对IGBT模块的破坏体现在以下几个方面：引线键合失效，焊接层疲劳失效，基板焊层脱落。

功率循环实验描述

功率循环测试设备既可以对包括IGBT 器件在内的电力电子器件进行功率循环测试即对被测电力电子器件施加应力测试，还可以通过瞬态热测试对包括IGBT 器件在内的电力电子器件进行热特性测量。特别是在功率循环测试中通过周期性进行的瞬态热测试得到的结构函数，和因为功率循环测试设备监控指标值超标而触发的瞬态热测试得到的结构函数，可以清晰的显示出随着功率循环测试的进行，包括IGBT 器件在内的电力电子器件内部的降级过程。这样可以实现在在线式的实时监控。

MicRed Power Tester功率循环测试设备支持自动测试和诊断生产环境中功率器件可能的失效原因。能够对模块进行数万甚至数百万次功率循环，与此同时提供“实时的”失效过程的数据进行诊断。在自动进行功率循环测试时，可以产生分析数据，供实时、在线式的进行失效过程分析。功率循环测试设备的目的在于对电力电子器件应用在其寿命期内的可靠性进行测试，属于工业化的应用，它是基于先进的T3Ster瞬态热测试技术实现在同一台机器上提供全自动瞬态热阻测试和功率循环测试，同时使用结构函数功能分析记录封装的变化或者封装结构的失效并可以加速封装的研发，可靠性测试以及生产前零件批量检测。系统测试得到的器件热特性的数据能够在专业的Flotherm/FloEFD散热仿真软件中校准和验证复杂的数据模型。T3Ster +FloTHERM硬软件结合是行业内实现热仿真和热测试自动校准的唯一解决方案。

寿命评估描述

IGBT 模块的寿命评估一般是指利用寿命预测模型，对一定应用场合下的 IGBT 模块预期使用寿命进行估算。因此，寿命预测模型对于 IGBT 模块的寿命评估具有重要研究意义，现有的寿命模型主要有解析寿命模型和失效物理模型两类。

解析寿命模型一般是通过拟合加速寿命试验得到的数据，来建立 IGBT 模块失效前热循环次数Nf 与电热参量之间的解析表达式。这些常见的电热参量包括结温大小、导通时间和电流幅值等。由于寿命模型通常是基于加速寿命试验得到的，因此加速因子也需要被考虑。它的含义是指设备在正常工作应力下的寿命与在加速环境下的寿命之比。这些加速因子包括温度加速因子、电压加速因子和湿度加速因子等。目前使用较多的解析寿命模型包括 Coffin Manson 模型、Lesit 模型、Norris-Landzberg 模型、Bayerer 模型，下面分别对其进行介绍。

（1）Coffin-Manson 模型主要考虑ΔTj 对 IGBT 模块寿命的影响，其表达式为

式中，λ和 n 可通过拟合试验数据得到。

（2）Lesit 模型则在 Coffin-Manson 模型基础上进一步考虑了平均结温 Tm 的影响，相应的数学表达式为

式中，kB 和 Ea 分别为玻耳兹曼常数和硅芯片的激发能。上述两个模型侧重于考虑结温与失效前热循环次数之间的关系，但是前面失效机理研究现状表明，IGBT 模块的失效还和一些电气参量关系紧密。

（3）Norris Landzberg 模型在计及结温因素的同时，还研究了热循环频率 f 对 IGBT 模块寿命的作用机制，其计算公式为

式中，ANL、n1、n2 为试验数据拟合得到的常数。

（4）Bayerer 模型

目前考虑因素最为全面的解析模型为 Bayerer 模型，它不仅考虑了结温大小的作用，还考虑了以下因素对 Nf 的影响：加热时间 ton、每根键合线通过电流的有效值 I、IGBT 模块的耐压值 U、键合线的直径 D，具体表达式为

式中，系数 k1、b1～b6 则是通过拟合加速寿命试验数据得到。尽管解析寿命模型具有计算简单、表达直观等优点，但是由于该类寿命模型的建立仅仅是通过拟合加速寿命试验数据得到的，因而既没有体现不同参量之间的物理联系，也没有反映出 IGBT 模块的失效机理。

结语

通过获得的被测半导体/IGBT 器件的寿命曲线，可以将任务剖面通过电热仿真模型转化为温度曲线，结合温度雨流算法和累计损伤模型转化为寿命损耗，能够准确的评价IGBT 器件应用寿命及剩余寿命，这是国内外绝大部分的IGBT 生产商，比较前端的研究方向。

寿命预期的研究

公司介绍

深圳市贝思科尔软件技术有限公司（BasiCAE Software Techonology Limited）成立于2011年，专注于为国内高科技电子、半导体、通信等行业提供先进的电子设计自动化（EDA）、工程仿真分析（CAE）、半导体器件热阻（Rth）及功率循环（Power Cycling）热可靠性测试，以及研发数据信息化管理的解决方案和产品服务。

贝思科尔（BasiCAE）与国际上领先的专业软件厂商有着广泛的合作，乐意于将国外优秀的设计工具、仪器设备、管理平台乃至前沿的开发理念引入中国市场，帮助本土的电子研发企业提升设计效率和产品可靠性。我们的合作伙伴包括：Siemens EDA (原Mentor ) 、Siemens Simcenter (西门子，CAE）、ATS（热测试设备）、IO Methodology（IBIS建模）、SKILLCAD（芯片布线设计加速）等。贝思科尔同时拥有十多项自主知识产权的软件产品，如用于电子设计可靠性检查的DFM Automation与EMI Automation，用于电子元器件库管理的Logic CIS等。目前公司已拥有软件著作权43项和专利发明1项，并于2016年、2019年、2022年三次被认定为“国家高新技术企业”。

贝思科尔总部位于深圳科技园，并在上海、苏州、成都设有办事处和研发中心。公司现有员工仅50人，技术和研发团队近30人。超过90%的员工具有本科以上学历，其中技术骨干均有华为、中兴、Mentor Graphics、Cadence、Altium等业界知名公司的多年工作背景。

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实验室介绍

贝思科尔半导体热可靠性实验室，配备了行业领先的瞬态热阻测试仪T3ster（2套），界面材料热导率测试仪DynTIM（1套）测量设备以及搭配了若干测试载板/夹治具，水冷板/HPD水道等散热装置；另外也拥有专业的电子电路研发设计及仿真工具：PADS/Xpedition/Flotherm/FloEFD /Star-CCM+等软件。

实验室目前具备量测LED/OLED芯片、功率MOSFET、二极管、三极管、集成电路IC及IGBT等单管和模块的热特性参数的能力，包含Si/SiC/GaN器件及模块的结温、热阻、热导率、功率循环（PCsec & PCmin）等参数测试能力，具备AECQ101和AQG324的功率循环可靠性评估、失效分析、寿命预估等能力。

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