功率模块IGBT失效机理与寿命预测研究综述

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(三峡大学电气与新能源学院,湖北　宜昌　443002)

1　引言

随着半导体全控器件的快速发展，科研人员在该领域投入更多的精力。其中IGBT最具代表，其兼有传统晶闸管多方面优点，现已广泛运用于家用电器、基础设施、微电网、电动汽车等各领域[1]。功率模块IGBT作为重要器件，对于能否正常运行影响着整个系统，由于功率模块的失效可能导致整个系统的瘫痪。

一般情况下，对于某个器件可靠性与安全性的研究，往往与其内部机理有着密不可分的关联，许多学者针对其失效机理进行了大量试验，并结合试验探讨研究，最终发现两者关系尤为密切，为寿命预测工作奠定了研究基础。对模块失效问题的研究，本文主要分析功率模块的两大失效机理，由封装结构技术带来的失效及与模块内部芯片本身的失效。

目前对模块寿命预测主要是将其与疲劳度相关联，通过分析研究其疲劳损伤程度，研究人员根据失效机理提出了一系列的模块寿命模型，对于不同的工况选择不同的模型。研究模块的寿命问题对可靠性具有重要意义，以便实现对器件的健康实时维护与管理[2]。现有的寿命预测模型主要分为解析型与物理型两大类，这两类模型分别有着自身特点，针对不同工作状态和外部环境选择运用不同模型。

2　功率模块IGBT失效机理

功率模块在实际的使用中，将主要组成材料如芯片、底板、焊料通过专业技术将其封装在一个模块之中并且构成了具有独立功能的换流电路，比如单相桥臂、多相桥臂，通过对基本结构及工作原理了解，进而对其失效机理进行分析，从而达到剩余寿命预测的目的。由于模块的失效原因综合了诸多因素，过程极其复杂，不同的工作环境、运行工况、使用方法、元件材料等影响都会对模块造成一定的影响，随着时间的推移，这种内部疲劳影响日积月累逐渐加重，最终导致模块出现故障并失效，常见的如焊料层疲劳、金属铝引线脱落或断裂。而模块内部芯片的失效主要源于一些突发工况，如由于误操作产生的过电压或过电流，或因为短路故障产生高温，都有可能使模块发生故障并对内部芯片造成永久性破坏损伤。本文将根据以上几个方面对功率模块的常见的失效机理进行总结并分析。

2.1　与封装结构相关的失效

IGBT模块封装基本示意图如图1所示。由于不同部分组成的材料不同，材料的热膨胀系数也不相同，当功率模块长时间工作在高温和低温不断变化的环境，并经过反复的热循环冲击，易引起不同层间焊接材料的疲劳损伤，并在表面产生细细的裂纹，最终导致失效。

图1　功率模块IGBT封装基本示意图

(1)金属铝引线脱落

键合指的是使用细金属线，利用热、压力等能量的形式使引线与基板焊接，使内部芯片与基板达到互联并完成信息互通。在实际工作中，由于在正向导通电流流过可控器件导致温度升高，而在反向导通时电流经过反馈二极管续流使温度降低，所以功率模块不断受到温度变化的影响，由于芯片的材料与引线材料一般不同，其材料的热膨胀系数自然不同，温度的变化波动会使之间产生热机械应力，从而使表面产生细痕，并随着时间的累积逐渐加深，最终导致脱落。

(2)不同焊料层间表面疲劳失效

封装结构材料的多样性导致各层间膨胀系统也不同。工作中，由于温度的不断波动，会在不同层表面产生不同的热应力，这样导致了各层材料变形的程度不一样，从而逐渐产生裂痕，而且材料表面的阻抗也随之增大，影响表面之间的热传导性。并且，由于环境因素的影响，往往会提前发生断裂导致失效。一般情况下温度对疲劳程度有着显著影响，而腐蚀环境对材料形变的程度也有一定的影响，虽然其影响程度不如前者，但几项因素叠加在一起，交互影响，加速导致焊料层发生故障失效。

(3)键合引线底部断裂

在实际操作与运行中，键合引线根部断裂可以在功率循环试验中发现。导致该失效方式的主要原因是在焊接过程中，过程并没有得到优化处理，从而导致引线根部产生裂缝[3]。与引线脱落失效相对比，引线根部断裂过程慢，且随着科技的进步及技术的发展，如今可采用更加先进的封装技术尽量减少由于引线和焊料层带来的疲劳影响，如采用新一代压接式封装技术[4]。

(4)铝金属表面重构变化

模块内部引线大多由金属铝做成，而芯片通常为硅材料，两者通过紧密相连达到电气传导，由于铝与硅材料的热膨胀系数不同，在经过反复的高温和低温的循环变化冲击之后，它们之间产生热机械应力导致发生形变，并且导致铝金属表面形成颗粒状，增大了表面粗糙性，减少了两者之间表面的接触面积，从而使之间的内阻变大[5-6]。

2.2　与内部芯片相关的失效

作为IGBT模块内部最重要的一部分，芯片的失效会导致整个模块发生故障。大多数芯片故障由于工作环境、人为操作因素导致模块的电应力失效，从而产生过电流或过电压，在器件内部产生不可逆的损失，导致功率器件引起故障[7]。

常见的电应力失效主要包括过高的电压和过高的电流，当器件长时间处于超过其额定电压或额定电流的工作环境下工作时，内部温度随之升高，则可能将材料融化，形成短路或开路故障，从而导致模块失效[8]。

(1)过电压失效

过电压主要包括栅极过电压、集电极-发射级过电压以及杂散电感过电压。如果UGE超过该值，则可能造成器件的损坏。集电极-发射极之间也可能产生过电压，主要是在人为的操作中可能造成集电极-发射极间过高的电压。杂散电感过电压指的是当开关不断开通与关断时，其开关频率很大，频率越大变化率越大，则会产生一个电压Ldi/dt，对功率元件的安全造成威胁，都可能加速功率模块的失效。

(2)过电流失效

过电流失效主要包括擎住效应、元件长时间处于过流运行、短路状态。由于寄生晶闸管作用，集中基极与发射极之间存在短路电阻，电流会在该电阻上产生压降，导致集电极电流增大，造成器件功耗过大而损坏。长时间过流状态指功率开关运行指标超过最大限定值，从而导致发热损坏。

根据不同的失效机理可以看出，造成功率模块IGBT失效的原因不仅受到了工作环境影响和工作工况的影响，同时与热机械应力与电应力等方面的因素都和模块的失效有着密不可分的联系。

3　功率模块IGBT寿命模型

针对功率模块IGBT可靠性低、维护成本高等问题，对其寿命预测有很大意义[9]，针对不同情况，自行选择不同的寿命预测模型，才能更加准确完成对寿命预测的工作，因此对现有的寿命预测模型进行总结并对比分析成为了一项重要的研究工作。

3.1　基于解析型寿命模型

解析寿命模型指的是功率模块的循环次数与变量之间的关系，如温度与频率值，这些数据均通过加速寿命试验中获取到的，根据国内外学者研究，最为常见的寿命模型有：Coffin-Manson寿命模型；Norris-Landzberg寿命模型；Bayerer寿命模型。

由于Coffin-Manson寿命模型的单一性，基于此改进模型更为实用，Lesit寿命模型不仅考虑了结温差值变化ΔTj，还考虑了结温的平均值Tm，精确度更高，该模型表达式为:

Nf=α(ΔTj)-neEα/(KTm)

(1)

式中，α和n均可通过仿真实验得到的常数[10]；k为玻耳兹曼常量；Ea为芯片激发的能量。

通过仿真可以发现，虽然平均结温和结温波动值对寿命均有影响，但后者对寿命的影响更大，该寿命模型比较简单实用，但考虑的因素相对较少，仅考虑其温度的变化，因素相对单一。

随着电力电子技术的进步，学者将更多的因素考虑在内，如循环频率、升温时间、冷却时间等，这些因素同样也会对模块的寿命造成一定的影响。基于这些因素的综合考虑和先前的研究，提出了Norris-Landzberg寿命预测模型，其考虑的因素更多，表达式如下所示:

Nf=Af-n2(ΔTj)-n1eEα/(kTm)

(2)

式中除了结温波动值ΔTj和结温平均值Tm外，还多了循环频率f，参数A、n1、n2均可以通过实验数据拟合得到。

除了以上寿命模型外，Bayerer寿命模型更为全面，通过各种不同的实验，综合考虑更多因素，表达式为

Nf=K(ΔTj)-β1e-β2/(Tjmax+273K)tonβ3+Iβ4+Vβ5+Dβ6

(3)

式中，K和β均为常数，且通过大量实验拟合得到，Tjmax表示内部结温的最大值，ton表示导通时间，I表示负载电流，V和D分别表示阻断电压和键合线直径。此模型考虑的变量最多，最为复杂，相对精度也更高，但数据不方便获取。

解析模型应用最为广泛，但该寿命模型并没有考虑到功率模块的物理失效机理，且数据需经过大量试验获取，一旦模块受到环境因素或者使用材料的化学性质发生变化，该模型就可能不适用，故在模型通用性方面，解析寿命预测模型有待通过大量试验改进提高。

3.2　基于物理型寿命预测模型

考虑到解析模型的诸多不足，学者们开始了更多的研究，与解析模型相比，物理模型需通过分析器件失效机理及形变机理，是一种基于材料的应力到形变过程的模型。通过对不同材料产生的应力进行分析，得到功率模块在此状态下的循环寿命。由于失效大部分和疲劳有关，该物理型模型主要围绕这部分进行分析。

当焊料层受到的应力超过其本身的屈服程度时，材料便开始了形变，此时的形变称为塑性应变方式，通过将之前寿命模型进行对比并优化，将模块的循环寿命与塑性应变程度相关联起来，得到不同于前文的焊料层疲劳模型，如下所示：

(4)

3.3　不同类型寿命模型优缺点对比

考虑两种不同的寿命预测模型各有优缺点，两者最大的区别在于解析型寿命模型通过加速寿命试验获取相关的统计数据，通过在某一恒定不变的温度波动下的寿命，虽然使用简单，但通用性相对较低，且应用缺乏足够的理论依据。而物理寿命预测模型根据前者的优化与改进，针对不同的失效机理方式，不仅考虑外部环境的影响，还考虑内部相关的物理属性及化学属性，故精度相对较高，但物理寿命模型相对公式更为复杂。

4　结语

功率模块IGBT凭借其特有的优势，运用于各个行业，但由于其故障发生率和维护成本较高，故对其寿命预测进行评估研究为整个器件的正常运行提供了实际意义，本文根据现有的基础对其进行总结并得出以下总结：

通过对失效机理研究发现，因为疲劳累积产生的热应力是导致IGBT功率失效最主要的原因之一。对于模块内部芯片的失效，由于其受到环境因素影响较大，且多为突发性失效，故对其研究应投入更多的精力和时间展开分析。

研究寿命预测问题对于器件可靠性有着非凡的意义，本文首先介绍几种不同的解析寿命模型，对于不同的模型，考虑的因素各不相同，在此基础上，引入物理寿命模型。通过将两种不同类型的预测模型进行对比，发现解析寿命模型公式相对简单，但没有反映出物理失效机理，且通用性差，而物理解析寿命模型是建立在物理失效机理上对模块寿命进行预测，有着更高的精确性，但计算相对复杂，且研究处于刚刚起步，需要做大量的研究。

通过分析并总结发现，失效的方式对其进行寿命的预测有着很重要的实际意义，对于日后研究变流器等相关器件的可靠性提供了充足的理论数据支撑，为今后的研究工作奠定了的基础。

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