IGBT廣泛應用于各類電力電子設(shè)備中，其可靠性一直都是制造商和用戶重點關(guān)注的問題。為了滿足高可靠性的應用需求，模塊供應商在持續(xù)不斷地通過改進設(shè)計、應用新材料、升級生產(chǎn)工藝來提升可靠性。而用戶更為關(guān)注的是在特定的應用條件下IGBT模塊的壽命是否滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。那么應該如何進行準確的IGBT模塊壽命評估呢？下面我們對這一問題做詳細介紹。

1. IGBT模塊老化機理

在系統(tǒng)應用中，影響IGBT模塊壽命的因素有電氣負荷與環(huán)境條件（溫度，濕度，灰塵，宇宙射線，機械振動等）。

環(huán)境因素的影響，不同場合的應用差異可能非常大，具有不確定性。現(xiàn)有研究主要關(guān)注IGBT模塊在運行過程中自身溫度變化對壽命的影響。由于IGBT模塊是由多種材料組成，這些材料具有不同的CTE（熱膨脹系數(shù)）。IGBT運行產(chǎn)生的溫度波動會在相鄰層產(chǎn)生熱機械應力，這種熱機械應力是IGBT模塊中材料疲勞老化進而失效的根本原因。典型的失效點包括：綁定線根部，芯片金屬化層，以及DCB與芯片或銅基板之間的焊接層。

1.1 綁定線疲勞

在反復的熱機械應力的沖擊下，IGBT模塊內(nèi)部綁定線會產(chǎn)生疲勞現(xiàn)象。圖1（a）展示了綁定線根部開裂的失效模式，圖1（b）中的綁定線已經(jīng)完全從IGBT芯片上脫落。在大電流IGBT模塊中，一般會使用多根綁定線并聯(lián)來分擔電流，單根綁定線的失效會造成其他并聯(lián)的綁定線承受更大的電流。根據(jù)P=I ^2^ *R，其他綁定線上的損耗也會隨之增加，導致更大的熱機械應力從而隨之失效。綁定線疲勞的另一個后果是隨著接觸電阻和損耗的增加而導致IGBT或二極管芯片過熱失效。

圖1 綁定線典型失效形態(tài)

1.2 芯片金屬化層重構(gòu)

在IGBT和二極管芯片上都有鋁金屬化層來實現(xiàn)與DCB（陶瓷基板）及綁定線的連接。在熱機械應力的作用下，該金屬層會出現(xiàn)鋁晶粒擠出現(xiàn)象。圖2（a）中紅圈中的黑色區(qū)域即是這一現(xiàn)象在光學鏡頭下的體現(xiàn)。而圖2（b）則給出了同一芯片的金屬化層在經(jīng)歷數(shù)萬次功率循環(huán)前后的微觀對比。

金屬化層的重構(gòu)不但會造成本身層電阻增加而導致同樣導通電流下的VCE上升，還有可能造成有效的芯片元胞和導通面積減少，從而產(chǎn)生局部的熱點或燒熔。

圖2 芯片金屬化層重構(gòu)

1.3 焊接層退化

在模塊內(nèi)部，芯片與DCB（陶瓷基板）、DCB與銅基板之間一般通過焊接的方式實現(xiàn)連接，長期的熱機械應力會導致焊接層的脆化或開裂（參見圖3）。同時焊料與銅層之間形成的合金（Cu5Sn 6 ）同樣可能開裂。

圖3 焊接層開裂SEM圖

另一種常見的焊接層退化的表現(xiàn)形式是焊料中空洞的形成（參見圖4），這會影響到工作中芯片產(chǎn)生的熱量向外界傳遞的效率，長期作用下會導致芯片過熱失效。

圖4 功率循環(huán)前后的焊接層超聲掃描

2. IGBT模塊的功率循環(huán)能力

功率循環(huán)測試可以加速模擬IGBT模塊在實際工作中可能承受的熱機械應力，目前被各IGBT模塊生產(chǎn)廠商采用以驗證新產(chǎn)品的可靠性。賽米控研發(fā)的每款I(lǐng)GBT模塊在正式發(fā)布之前都要通過各種嚴苛的內(nèi)外部認證測試，其中功率循環(huán)測試是必不可少的一項，而功率循環(huán)曲線則是計算模塊壽命的基本條件之一，下面我們就針對這兩點做詳細介紹。

2.1 功率循環(huán)測試方法

測試的電氣連接如圖5所示。測試時先給待測模塊接通一個大電流負載I load ，待芯片結(jié)溫上升到設(shè)定值T j（max） 后斷開I load ，然后采用小電流Imeasure下的VCE測試電壓結(jié)合已校準的VCE和Tj曲線來確認結(jié)溫，并通過外部散熱快速冷卻降低芯片結(jié)溫至設(shè)定值T j(min) ，斷開測試小電流I measure ，再次接通Iload并重復以上過程。

圖5 功率循環(huán)測試示意圖

2.2 功率循環(huán)測試參數(shù)設(shè)置

在功率循環(huán)測試中，結(jié)溫波動幅度（ΔT j =T j,max –T j,min ）是對最終循環(huán)次數(shù)影響最大的變量。結(jié)溫波動越大，對于模塊內(nèi)部各層施加的熱機械應力越嚴酷，在失效前模塊能夠完成的循環(huán)次數(shù)越少。為保證新產(chǎn)品的認證測試效率，一般生產(chǎn)廠商會選取較大波動值如ΔT j =100K或ΔT j =70K進行功率循環(huán)測試。

在同樣結(jié)溫波動條件下，循環(huán)測試中的平均結(jié)溫T m =T j,min +ΔT j /2的設(shè)置對于功率循環(huán)次數(shù)也有重要影響。在ΔTj一定的條件下，平均結(jié)溫越高，則模塊失效前能完成的循環(huán)次數(shù)越少。

另一個比較重要的參數(shù)是每個循環(huán)中大電流負載Iload的持續(xù)時間T on 。Ton時間越長，則每個周期模塊各連接層承受的熱機械應力更大，模塊失效前能完成的循環(huán)次數(shù)越少。各個廠商對此參數(shù)設(shè)置不盡相同。

** 2.3 **功率循環(huán)測試完成標準

上文提到，持續(xù)的熱機械應力會造成綁定線脫落、芯片金屬化層重構(gòu)及焊接層性能退化等問題，而這些問題會導致模塊飽和壓降和熱阻上升，最終反映到結(jié)溫的異常升高。在測試過程中一旦模塊熱阻Rth或是飽和壓降VCE增大20%，則判斷為模塊失效，功率循環(huán)測試完成。圖6是賽米控某款I(lǐng)GBT模塊的功率循環(huán)測試結(jié)果。

圖6 功率循環(huán)測試結(jié)果

2.4 功率循環(huán)壽命曲線

20世紀90年代，瑞士政府資助蘇黎世聯(lián)邦理工學院進行了一項針對IGBT模塊的壽命預測項目。該項目對來自歐洲和日本多個廠商的IGBT模塊進行了大量的研究和功率循環(huán)試驗，確定了結(jié)溫波動對于IGBT模塊壽命的影響，并于1997年公布了初版的LESIT功率循環(huán)曲線。

圖7 LESIT壽命曲線

該曲線實際上描述了不同結(jié)溫波動條件下模塊失效前所能完成的功率循環(huán)次數(shù)，不同平均結(jié)溫Tm對應不同曲線。該壽命曲線可用以下方程式表達：

LESIT功率循環(huán)曲線發(fā)布之后的數(shù)年間，IGBT模塊的材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計和生產(chǎn)方法都取得了快速進步，這些發(fā)展對于可靠性和壽命都有實質(zhì)性的提升。在2009年，賽米控基于LESIT曲線并結(jié)合自身模塊技術(shù)特點發(fā)布了兩款改進版的功率循環(huán)壽命曲線，分別為標準模塊功率循環(huán)壽命曲線（圖8）和先進模塊功率循環(huán)壽命曲線（圖9）。

圖8 標準模塊功率循環(huán)壽命曲線

圖9 先進模塊功率循環(huán)壽命曲線（采用優(yōu)化的綁定線設(shè)計或銀燒結(jié)技術(shù)）

3. 不同應用中的****IGBT模塊壽命計算

**3.1 **負載簡單變化應用中的壽命計算

對于大多數(shù)常規(guī)的工業(yè)應用，使用賽米控的熱仿真軟件SEMISEL并結(jié)合相應的功率循環(huán)曲線就可以進行簡單的壽命計算。這種計算只考慮每個負載周期中最大的溫度波動，忽略較小的溫度波動。下面舉例說明：

某三相電機傳動項目中每10秒會出現(xiàn)5秒的2倍過載，之后恢復至額定負載并持續(xù)5秒。該項目選用了賽米控的模塊SEMiX453GB12E4s。在SEMISEL中基本參數(shù)及負載曲線設(shè)置如圖10所示。

圖10 SEMISEL仿真參數(shù)設(shè)置

啟動仿真后，在結(jié)果頁會直觀顯示結(jié)溫波動曲線及芯片結(jié)溫具體值（圖11）。計算出該應用的平均結(jié)溫T jm =112.5°C及結(jié)溫波動ΔT j =27°C。

圖11 SEMISEL仿真結(jié)果

將T jm =112.5°C及ΔT j =27°C代入賽米控先進模塊功率循環(huán)壽命曲線（圖12），可知該應用中IGBT模塊的壽命約為1500萬次。

圖12 利用功率循環(huán)曲線估算IGBT壽命

3.2 復雜負載條件下的壽命計算

在電梯、電動汽車以及風力發(fā)電等應用中，負載會快速且無規(guī)律的變化。以下圖為例：

圖13 復雜負載條件任務(wù)曲線

在這種電流、電壓、基頻甚至是開關(guān)頻率同時變化的工況下，需要使用SEMISEL或其他專業(yè)熱仿真軟件對每個工作點進行仿真，計算出功耗并精確使用熱阻（或熱阻抗）得到每個周期中溫度波動曲線，即將任務(wù)曲線轉(zhuǎn)化為溫度曲線。

圖14 復雜負載條件結(jié)溫波動曲線

可以看到，在基頻較低的工況下會發(fā)生數(shù)次較大結(jié)溫波動；而在基頻較高的工況下會有大量小結(jié)溫波動發(fā)生。對于這種大小波動重疊在一起的溫度曲線，目前比較通用的方法是采用雨流算法（Rain flow）將其分解簡化為若干個具有不同波動幅度的負載循環(huán)，如下圖15所示。

圖15 雨流算法簡化溫度波動

將雨流算法簡化后的不同溫度波動通過對應模塊的壽命曲線進行計算，可以得到指定任務(wù)周期的循環(huán)次數(shù)。

需要注意的是，上面這個例子重點是介紹如何使用雨流算法計算復雜工況下的IGBT壽命，圖13中溫度曲線與圖15中簡化曲線與并無直接對應關(guān)系。