IGBT 可靠性与寿命评估研究

范 学， 王 胜， 郑珂珂， 梁 鹏， 赵明芳

（比亚迪汽车工业有限公司， 广东 深圳 518118）

IGBT是能源变换与传输的核心器件,俗称电力电子装置的“CPU”。在新能源汽车中，IGBT直接控制驱动系统直、交流电的转换，决定了车辆的扭矩和最大输出功率等，是汽车动力总成系统的“心脏”。在新能源汽车中大量使用了IGBT功率器件，例如：电控、OBC、空调系统及充电桩等，如图1所示。据统计，IGBT等功率器件占到整车成本的7%～10%。

图1 IGBT功率器件在新能源汽车上的应用

在电机控制器中，IGBT将动力电池的高压直流电转换为驱动三相电机的交流电，为电机提供动力。在汽车运行过程中，启停、频繁加减速等会使IGBT模块功率发生变化，IGBT结温也会随之不断循环变化，温度变化产生的热应力会使模块内部焊层之间产生蠕变热疲劳或失效。因此，IGBT模块的结温变化是影响其工作寿命与可靠性的主要因素。本文采用热敏感电参数法提取IGBT结温，并结合CLTC等试验工况得出对应结温曲线，通过雨流分析、Miner线性累积损伤准则等分析和评估整车寿命周期内IGBT模块的热疲劳寿命，提出在总成级试验中进行IGBT加速试验的可行性方案。

1 IGBT概述

1.1 什么是IGBT？

IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管） 是由双极结型晶体管（BJT） 和金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET） 复合而成的结构，如图2所示。它结合了两者的优点，具有输入阻抗高、功耗小、热稳定性好、驱动简单、载流密度大、通态压降低等优势。

图2 IGBT简化等效电路

1.2 IGBT的结构

IGBT由芯片、覆铜陶瓷衬底、基板、散热器等通过焊接而成，如图3所示。

图3 IGBT的结构

1.3 IGBT的热特性

热特性是IGBT功率器件的灵魂。芯片工作产生的热量通过不同的介质、界面传递到散热器，将热量散出，传递路径的热阻用Rthjc来表示，如图4所示。

图4 IGBT热传递

IGBT模块的发热主要来源于功率损耗。功率损耗包括IGBT损耗和FWD损耗，其又分为开关损耗和导通损耗，如图5所示。功率损耗与电流Ic、饱和压降Vce、开关频率等多因素有关。

图5 IGBT导通损耗和开关损耗示意图

2 IGBT可靠性要求

2.1 IGBT模块可靠性要求

对于车规级IGBT模块，由于使用环境严酷，工况复杂，寿命要求高，因此对IGBT模块性能和可靠性提出了越来越高的要求，如图6所示。

图6 IGBT模块可靠性要求

2.2 电控总成可靠性试验现状

据统计，IGBT损坏引起的故障占电控售后问题的首位，是电控总成的短板。根据“木桶”原理，解决IGBT失效问题对于降低电控总成失效率非常重要。但是，目前电控总成可靠性试验主要参考707企标，没有考虑功率器件产品自身发热引起的温度变化，也没有考虑冷却液循环带来的温度稳定，比较适用于低压电气产品可靠性试验，对功率器件产品不适用。如何在电控总成试验中加速IGBT的老化磨损将是我们需要重点研究的课题。电控问题统计柏拉图如图7所示。

图7 电控问题统计柏拉图

2.3 IGBT模块可靠性试验

对于车规级IGBT模块，AQG 324、QC/T 1136等标准对可靠性均有相关要求。以QC/T 1136为例，IGBT模块可靠性包括芯片可靠性和封装可靠性，如表1所示。

表1 IGBT可靠性试验

2.3.1 功率循环试验（主动）

1） 功率循环试验(PCsec/PCmin)：检验绑定线与芯片的连接点可靠性以及芯片与DCB焊接层的可靠性。功率循环试验（PCsec） 曲线如图8所示。

图8 功率循环试验 （PCsec） 曲线

2） 功率循环(PCmin)：检验绑定线与芯片的连接点可靠性，芯片与DCB焊接层的可靠性以及DCB与Baseplate焊接层的可靠性。

2.3.2 温度循环/冲击试验（被动）

温度循环(TC)：从Baseplate底部缓慢加热整个封装，检验具有不同热膨胀系数的材料之间连接的可靠性。热膨胀系数如图9所示。

图9 热膨胀系数

2.4 IGBT模块失效模式

IGBT模块失效主要分为机械失效和电气失效，其中机械失效包括绑定线、焊接层及封装/端子的老化所造成的使用寿命终结，其主要是由功率循环产生结温变化引起。此外，还包括过压、过流、其它因素（如气候变化、化学腐蚀） 所造成的失效，如图10所示。

图10 IGBT模块的失效模式

IGBT失效同样适用可靠性“浴盆”曲线，在不同阶段呈现不同表现形式，如图11所示。

图11 浴盆曲线及失效原因

本文重点研究耗损失效中由于热机械应力导致的IGBT失效，而这一部分正是IGBT耐久失效的主要原因。IGBT耗损失效如图12所示。

图12 IGBT耗损失效

3 IGBT使用寿命分析与评估

3.1 研究思路

根据IGBT失效模式可知，结温变化是影响其使用寿命的主要因素。评估IGBT的使用寿命就需要首先获得其在用户工况下的结温曲线，然后结合IGBT功率循环寿命曲线，应用累积损伤理论评估IGBT的使用寿命，具体分析步骤如图13所示。这其中主要关键点及难点如下所述。

图13 研究思路

1） 用户代表工况选取，目前采用NEDC或者CLTC工况。

2） 工况中结温测量和结温曲线的获取，实车中很难通过布置传感器的方案来直接获取结温曲线。目前有两种可行方法：一种是通过计算功率损耗，结合热仿真模型获得；另一种是通过间接的热敏感电参数法获取相应的结温曲线，详见3.3.2分析。

3） 温度分布：采用雨流法分析。

4） IGBT寿命曲线，一般由IGBT模块厂家提供。

5） 寿命评估，使用温度分布数据和IGBT寿命曲线结合损伤理论进行寿命评估。

3.2 IGBT结温测试的几种方法

3.2.1 物理接触测量法

把热敏电阻或热电偶等测温元器件焊接于IGBT内部，从而获取模块内部基板的温度。测试方便但存在较大测量误差，如图14所示。

图14 热敏电阻测量法

3.2.2 光学非接触测量法

先将IGBT模块打开，除去透明硅脂，然后将IGBT芯片表面涂黑，以提高温度测量准确性，最后通过热像仪等采用红外热成像方法测试结温。属于破坏性测量方法，如图15所示。

图15 光学非接触测量法

3.2.3 热敏感电参数法

利用半导体功率器件内部微观物理参数与器件温度具有一一对应的映射关系，将芯片本身作为温度传感部件，将其自身难测的内部温度信息反映在模块外部易测的电气信号上，对芯片结温进行逆向提取，如图16所示。

图16 热敏感电参数法

3.3 试验方案

3.3.1 任务曲线建立

为了保证IGBT模块使用寿命的可比性，通常采用标准的驾驶循环作为基本工况。国内一般采用NEDC（New European Driving Cycle，新标欧洲循环测试） 或CLTC（China Light-duty Vehicle Test Cycle，中国轻型汽车行驶工况） 作为基本工况。以CLTC工况为例，采集电机控制器在此工况下的电压电流值，如图17所示。

图17 电机控制器CLTC工况下电压电流谱

3.3.2 结温曲线

本文采用热敏感电参数法反推获得IGBT模块在CLTC工况下的结温曲线。

1） 温度系数（K-factor） 测试

参考JESD51-1《集成电路热测试方法》测试K系数。测试步骤如下：设定好温度环境TL0，当器件外壳温度稳定时给IGBT模块施加小电流（10mA） 记录集电极和发射极间压降大小VL0，然后将环境温度升高到THi，按上述要求记录此时压降。两次温度值的差值除以电压差值即为K系数。

通过Power Tester 1800A功率循环测试仪测试K系数（图18），结果如下：K-Factor：-2.694mV/℃。

图18 K系数

2） 瞬态热测试（负载）

测试原理图如图19所示。根据任务曲线得到的负载电流，基于能量守恒，采用MATLAB软件将电流谱处理成300个恒定电流值便于实际加载测试。测试方法如下：①在IGBT Gate上加上15V电压，使Gate完全打开，在CE之间用大电流加热，使之达到热平衡；②在器件达到热平衡之后，瞬间从大电流切换到小电流（10mA），测量压降Vce；③测试结果如图20所示，根据K系数中结温与Vce的之间的关系，得出CLTC工况下的结温曲线，如图21所示。

图19 测试原理图

图20 负载电流与Vce关系曲线

图21 CLTC工况结温曲线

3.3.3 温度分布（ΔT）

Ncode雨流分析流程如图22所示。为了将任务曲线引起的结温变化与功率循环寿命曲线进行比较，采用雨流计数法统计不同结温变化ΔT出现的频次。温度分布ΔT如图23所示。

图22 Ncode雨流分析流程

图23 温度分布ΔT

3.3.4 功率循环寿命曲线

研究发现当温度变化过程中的最高结温小于120℃时，可以利用Coffin-Manson模型进行预测，该模型被广泛用于描述半导体模块PC过程的失效规律。后经Arrhenuis修正，将平均结温Tjm纳入考核范围，得到LESIT模型：

随着封装技术的改进，IGBT模块的寿命有了很大提高。焊料层疲劳成为与键合线同等重要的失效机制。2008年Bayerer考虑到功率循环试验中温度波动范围、最大结温Tjmax、模块键合线直径D、直流端电流i、阻断电压V等因素都会对器件寿命造成影响，得到了CIPS多参数模型：

通过功率循环试验确定模型参数，绘制如图24所示的功率循环寿命曲线。

图24 功率循环寿命曲线

3.3.5 IGBT寿命评估

根据温度分布ΔT，并参考功率循环寿命曲线，将一个驾驶循环中所有ΔT下的损伤相对其出现的频次加权求和，可得到一个驾驶循环下的累积损伤。该累积损伤的倒数即是功率模块的使用寿命，即：

式中：ni——在一个驾驶循环中，ΔTj出现的次数；Ni——在功率循环寿命曲线中，ΔTj对应的循环次数；Nf——功率模块使用寿命。

通常整车的使用寿命是30万公里，一个CLTC的行驶里程大约是14.48km，则整车至少需要运行20718个CLTC才满足寿命要求，通过计算Nf=13973605，远大于20718，满足整车的使用寿命要求。

4 电控总成IGBT加速试验

既然IGBT失效占电控总成失效的绝大多数，那么电控总成试验中IGBT的考核是否足够？如何进行IGBT加速试验呢？

通过上述分析可知，IGBT模块的结温变化是影响其工作寿命与可靠性的主要因素。因此在总成试验中，结温变化的幅度和频次将直接影响其使用寿命。以冷热冲击试验为代表的被动“功率循环试验”将是一个很好的试验方案。

由于该试验工作模式1.1，属于被动加热引起的结温变化，其中ΔT=125℃、N0=215次，远低于行标要求。根据IGBT热循环寿命曲线（图25），当ΔT=125℃时寿命循环数N1约3000次，故冷热冲击试验考核仅占全寿命周期的7.2%，属于考核偏弱，可适当增加循环数或加大温度变化范围，如表2所示。

表2 冷热冲击试验条件

图25 IGBT热循环寿命曲线

此外，通过分析NEDC或CLTC等驾驶工况可知，主动“功率循环”产生的结温变化频次较多，但幅度偏小。以CLTC工况为例，根据3.3.3雨流分析结果可知ΔTmax=25℃，根据IGBT寿命曲线则需要至少107循环数。在兼顾其它部件的考核基础上合理修正工况，如增加启停或急加/减速工况也是一种可行的加速试验方案。

5 总结

本文通过介绍IGBT模块的结构、失效模式等说明热疲劳是影响IGBT使用寿命的主要因素。并基于此建立了IGBT使用寿命评估方法，将整车设计寿命与IGBT使用寿命结合起来，从而能够从行驶里程的角度快速评估IGBT功率模块是否能够满足整车使用寿命的要求。此外，针对电控总成的试验现状，提出在总成级试验中进行IGBT加速试验的可行性。对于主动“功率循环”试验，如何优化试验工况，提升ΔTmax进行加速试验还需要进一步研究。当前以SiC和GaN为代表的第三代宽禁带半导体材料开始逐渐应用在新能源汽车上，其可靠性也将是我们后续关注的方向。