轨道交通牵引用IGBT热疲劳可靠性研究

张晓 林珍君 李华 周望君

关键词：IGBT;热疲劳;沸腾冷却;功率循环;热循环

0引言

牵引变流器的核心是功率模块IGBT，IGBT的可靠性直接影响到列车的可靠运行，轨道交通牵引系统的IGBT故障占功率模块总故障的80%以上，IGBT的可靠性是研究牵引变流器可靠性的基础。IGBT的可靠性应用和功率器件应用的精细设计能力，是提高轨道交通车辆运营稳定性的重要因素和紧迫挑战。

1功率器件

轨道交通牵引系统用功率器件经历了不可控器件、半控型器件、全控型器件的发展历程，IGBT作为全控型电力电子器件的代表，具有开关速度快、开关损耗小、耐脉冲电流能力强、通态压降低、驱动功率小等优点[1]，是当前轨道交通牵引变流器实现功率变换的首选和核心器件。

本文以某高速动车组牵引变流器IGBT失效为例，进行了失效机理、失效分析，确定了热应力过大是导致器件失效的主要原因，并研制了新型高效沸腾式散热器，有效的解决了热应力过大的问题。

2功率器件失效机理

IGBT是基于特定目的的多种材料组合设计制造出来的，属于典型的异质复合结构，其完整电器功能的实现直接依赖于结构的完整性。

IGBT器件是由不同材料组成的“三明治”多层堆叠结构，不同材料热膨胀率（CTE）存在差异[2]，具体如下图1和表1所示，IGBT在应用过程中存在各种应力循环，从而影响IGBT器件应用可靠性，国内外公司及机构关于IGBT或半导体器件的可靠性研究表明，IGBT器件失效的主要原因分为器件功率循环（Power Cycle）失效和温度循环（Thermal Cycle）失效。功率循环主要考验IGBT器件承受大电流下的电和热应力的能力，考核引线互联及芯片焊层的可靠性，对应失效特征为如图1-1中（a）所示的绑定线的剥离;温度循环考验IGBT器件承受大的温差循环的能力，器件内部热应力与机械应力的同步作用，考核各焊接层的可靠性，对应失效特征为如图1中（b）中所示的焊料层开裂。

Ss=LmΔα·ΔT/2φ0Ws

Δα为芯片与焊料层膨胀系数差异，ΔT功率循环过程中焊料层温度差。

焊层疲劳失效[3]主要是热膨胀系数不同产生的热应变导致的，热应变会在焊料层产生位移形变和剪切形变，导致在焊接位置处产生裂纹或使，这种形变反复作用后，焊料层就會产生疲劳，进而产生龟裂，IGBT焊料层所能承受的功率循环次数如下式所示[4]：

Np=Aexp（2φ0Ws/ΔαΔT）

A、φ0是与焊料层结构相关的常数，Ws为焊料层厚度。

通过上式可以看出，热膨胀系数差异越大、焊料层温差越高，焊料层所承受的热切应应变越大，焊料层疲劳速度越快，进而导致焊料层分层、空洞和裂缝，导致热阻增大、结温升高，IGBT的耐循环次数越少，达到材料的疲劳极限后就会引起器件失效。

3功率器件IGBT模块热设计

IGBT产生的损耗主要通过热传导传递给散热器散去热量，IGBT由芯片、焊料层、DBC焊层等多层结构焊接基板上，芯片温度最高，散热器温度最低，从芯片到散热器的温度由高到底形成一定的温度梯度分布。

IGBT厂家都会根据每个功率器件半导体产品的物理特性，设定一个最大结温（Tjmax），如果运行结温（Tjop）超过这个最大结温就可能发生热损坏。IGBT的热安全工作区是基于对IGBT模块的损耗和热分析，确定的牵引变流器可安全长期运行的最大区域。对于150℃最大允许结温的功率器件来说，基于结温的热安全工作区（TSOA-Tj）是在最恶劣情况下，IGBT的最大运行结温（Tjop（max））比最大结温（Tjmax）低25℃以上，数字表达式如下：

其中Tjmax为功率器件能够承受的最大允许结温，Tjop_max为最大运行结温。

4功率器件失效分析

4.1失效现象

某高速动车组牵引变流器功率模块IGBT器件随着运营里程的增长，失效率逐步增加，统计模块IGBT一个高级修程周期内的故障率，IGBT在高级修的中后期故障率明显增大，且和运用时间呈线性增长趋势。

现场失效的IGBT外观未发生异常，对失效IGBT进行绝缘测量，IGBT的CE两极电阻值低于规定值，拆解IGBT到内部芯片底层，发现IGBT的集电极母排引脚位置发黑，其他位置完好，见图2所示。

热膨胀系数的不同和热应力大使焊料层承受较大的热应变，在母排引脚位置的焊料层产生如图3所示的分层和裂纹，在分层和裂纹位置处容易出现热应力集中现象，导致引脚位置热阻增大和运行结温升高，当温度过高时会导致引脚位置脱落和引脚周边硅胶碳化发黑，从而引起IGBT器件疲劳失效。

IGBT所使用的散热器为热管式散热器，热管是相变传热，热管散热器是由各个独立T型热管、翅片和基板组成， 各独立T型热管间冷却介质不能互相流通。独立的T型热管分为水平热管和竖直热管，水平热管吸收IGBT产生的热量，水平热管内的工质由液态变为蒸汽上升到顶部，竖直热管安装有散热片，在冷却风作用下竖直热管内蒸汽冷却变为液体下落到竖直热管，形成循环换热，热管式散热器工作原理如下：

在额定工况下，温升结果如下：

根据元件内部温升为Tc-j=30K， 在40℃环境温度条件下，全新热管散热器功率模块IGBT最大结温为124.5℃，现场运行六年未清洁的功率模块IGBT最大结温為131℃，功率器件最大运行结温均未超过最大允许结温Tjmax（150℃），但从牵引系统长期运行的热安全工作区来看，现场运行的未清洁散热器功率模块最恶劣工况时功率器件超过了热设计安全工作区，功率器件在长时间运行后导致可靠性有所降低，进而故障率增加。

5新型高效沸腾式散热器的研制

针对当前所使用的热管式散热器功率模块温升高和现场服役后余量不足问题，开发了新型高效的沸腾式散热器，选用全新工质和全新工艺进行设计，国内首次实现了沸腾式散热器开发。

沸腾式散热器工作原理如下图所示，当功率模块工作时基板受热，基板内工质吸收热量发生相变成为蒸汽，蒸汽通过热管通道传至芯体中的导热管，将热量由基板传至导热管的冷凝段。在冷凝段中的蒸汽与外界发生热交换冷凝为液态工质回流到散热器基板中的蒸发段，开始下一个循环。

6结束语

文章通过对轨道交通牵引系统功率器件的失效分析，从器件热设计、热安全工作区和失效机理多方面研究，确定了导致功率器件失效的主要原因，通过全新和服役的功率器件热疲劳可靠性试验对器件失效进行了验证，针对温升高导致的热疲劳问题，国内首次开发了新型高效沸腾式散热器，目前已实现批量产品150万公里无故障运营。

参考文献：

[1] 安德烈亚斯·福尔克. IGBT模块：技术、驱动和应用[M].北京：机械工业出版社，2011： 70-71，372-376.

[2] IGBT 器件应用手册[M].三菱电机，2014：9-10

[3] 肖飞，刘宾礼，罗毅飞. IGBT疲劳失效机理及其健康状态监测[M].北京：机械工业出版社2019：6-7，82-90.

[4] Ramminger S， Wachutka G. Predicting the crack progression in PbSnAg-solder under cyclic loading [C]. The 4 International Conference on Integrated Power Systems，2006：1-6.

基金项目：国家重点研发计划资助项目（2018YFB1201800）