文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.08.012
中文引用格式： 陳紅納，李志剛，梅霜，等. IGBT模塊鍵合線故障與門極雜散阻抗的關系研究[J].電子技術應用，2016，42(8)：56-59，66.
英文引用格式： Chen Hongna，Li Zhigang，Mei Shuang，et al. Study on the relationship between bonding wire failure and the gate stray impedance of IGBT module[J].Application of Electronic Technique，2016，42(8)：56-59，66.
0 引言
絕緣柵雙極晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）已成為高頻大電流電力電子變換系統(tǒng)中應用最為廣泛的一種功率半導體器件。據(jù)國外調查顯示[1]，在電力電子變換器中功率半導體器件是最脆弱的部分，故障率為31%。運行過程中功率器件損壞主要是由于功率波動導致溫度波動產(chǎn)生的熱機械應力致使器件及封裝的機械形變和疲勞損傷累計[2-3]，最終導致IGBT器件失效，鋁鍵合線脫落是其最主要的失效模式之一。因此，監(jiān)測IGBT鋁鍵合線狀態(tài)即檢測其早期故障，是提高其運行可靠性的重要方法。
近年來，國內外對鋁鍵合線失效、狀態(tài)監(jiān)測方面已有了大量研究。在失效分析方面，主要是通過仿真研究鋁鍵合線脫落對模塊性能的影響[4-6]。在狀態(tài)監(jiān)測方面，鋁鍵合線失效首先會影響IGBT模塊內部的布局，進而影響其端部特性[7-10]，比如飽和壓降、門極信號、閾值電壓、關斷時間等都可以作為狀態(tài)監(jiān)測參量反映器件的老化狀態(tài)。總的來說，在IGBT器件失效機制和可靠性評估方面研究已經(jīng)有了很大進展。現(xiàn)有可靠性評估方法各有優(yōu)勢，但也有其局限性。通過綜合對比，本文采用門極電壓的動態(tài)變化作為識別IGBT鋁鍵合線故障的特征信號。
鍵合線脫落導致IGBT芯片內部等效電路發(fā)生變化，而這種變化會表現(xiàn)在門極電信號上。由于雜散阻抗難以測量，故可以通過門極電壓信號的變化間接反映故障對雜散阻抗的影響。本文通過實驗測取VGE，分析其在鋁鍵合線故障過程中的變化規(guī)律，在此基礎上利用小波并能量熵理論對門極電壓信號進行次小波包分解并提取故障特征信息，為IGBT狀態(tài)監(jiān)測提供了依據(jù)。
1 IGBT模塊的失效機理及結構特性
1.1 失效機理
研究功率器件失效機理是對其進行狀態(tài)評估的基礎。圖1為IGBT模塊的層狀結構。各層材料的熱膨脹系數(shù)(CET)不同，使得模塊承受熱沖擊或循環(huán)加熱冷卻時，不同材料的熱機械應力不同導致鍵合線熔斷或脫落，最終導致IGBT模塊失效。當器件在超過額定的電壓或電流范圍內工作時，可能產(chǎn)生過電應力，功率損耗增大，器件局部過熱，甚至使材料熔化，形成短路或開路，也就是說電應力還會過渡到熱應力，最終導致芯片失效。
圖1 IGBT封裝結構示意圖
通過上述分析，IGBT的失效過程可以概括為：器件工作過程中，熱應力、電應力等因素使得IGBT模塊內部的物理參數(shù)發(fā)生變化，通過鋁鍵合線的電流重新均流，使得通過個別鋁鍵合線的電流增大，從而加速鋁線的熔斷，當所有鋁鍵合線都脫落時就會造成芯片失效。
1.2 結構特性
鋁鍵合線發(fā)生脫落故障后影響IGBT器件整個雜散參數(shù)網(wǎng)絡。門極電路的雜散參數(shù)來自于鋁鍵合線和IGBT芯片。
鋁鍵合線與芯片都包含有雜散電阻、雜散電感、和雜散電容，各鋁鍵合線之間還存在互感，為簡化分析，鋁鍵合線之間的互感忽略不計，且認為與鋁鍵合線有關的參數(shù)主要是雜散電阻和雜散電感，每根鋁線分別有雜散電阻和雜散電感的串聯(lián),與IGBT芯片有關的雜散參數(shù)主要是雜散電容。
IGBT芯片由MOSFET和BJT兩部分組成，圖2為IGBT芯片的典型內部結構。與MOSFET相關的雜散電容參數(shù)包括：門-源極金屬化電容CM，門-源極金屬氧化電容COXS，門-漏極交疊氧化電容COXD，門-漏極交疊耗盡層電容CGDJ，門-漏極交疊耗盡層電容CDSJ，其中CM與COXS組成CGE，COXD與CGDJ組成CGC；與BJT相關的雜散參數(shù)包括：射-集電極重分布電容CCER，基-集電極擴散電容CEBD，基-集電極耗散電容CEBJ，基極電導調制電阻RB。
圖2 IGBT芯片的典型內部結構
2 鋁鍵合線脫落故障的影響
由于功率波動等因素造成鋁鍵合線脫落故障時，首先會改變其自身的雜散電阻和雜散電感。門-射極電壓與終端電容有著直接的關系，所以鋁鍵合線全部脫落會影響終端電容，進而又影響門-射極電壓。
2.1 鍵合線脫落對門極雜散阻抗的影響
鋁鍵合線是實現(xiàn)電連接的關鍵，通常為幾根并聯(lián)，每根鍵合線上由雜散電阻和雜散電感串聯(lián)而成，如圖3。當部分鍵合線脫落、斷裂或翹曲時，并聯(lián)根數(shù)減少，鋁鍵合線的等效雜散電感和雜散電阻增大。
圖3 雜散電阻和雜散電感等效電路
鋁鍵合線故障也會影響終端電容，大電流的IGBT模塊中每個單元通常由兩個或更多IGBT芯片并聯(lián)，圖4為IGBT芯片的門極等效電路。CGC和CGE是影響門極電壓的主要參數(shù)，CCE的影響可忽略。
圖4 IGBT芯片門極等效電路
CGE計算公式為：
式中，AGE表示柵極多晶硅與發(fā)射極的金屬重疊面積，dOX_GE表示他們之間的氧化層厚度，
分別為真空介電常數(shù)和氧化層介電常數(shù)。鋁鍵合線全部脫落導致CGE減小。
米勒電容CGC由COXD和CGDJ組成，計算公式分別為：
由公式可知CGDJ的值與VCE有關，因此在開通暫態(tài)過程中門-集極等效電容CGC并不是固定的值：
其中，AGD為IGBT芯片中MOSFET部分門-漏極交疊面積；q為電子電荷；NB為基區(qū)的摻雜濃度；εsi為硅的介電常數(shù)。由于鍵合線全部脫落會使AGD減小，CGDJ和COXD隨之減小，因此CGC減小。
由上述分析可知，鋁鍵合線部分脫落影響其等效雜散電阻和雜散電感，全部脫落后還會影響其等效雜散電容值。又由于柵極等效電容與鋁鍵合線電阻數(shù)量級上的差異，鋁鍵合線全部脫落時，雜散電容變化對門極電壓的影響占主導。
2.2 雜散阻抗變化對門極電壓波形的影響
IGBT模塊雜散參數(shù)的變化導致門極開通電壓波形發(fā)生改變。根據(jù)VCE和VGE的變化可將IGBT的開通暫態(tài)過程分為圖5所示的3個階段：
圖5 IGBT器件開通暫態(tài)過程
階段1(t1<t<t2)：門極電壓VGE開始上升但還未達到VGE(th)，IGBT器件仍然處于關斷狀態(tài)。門極電流給CGE和CGDJ充電，充電時間常數(shù)為τ=(Rw+Rg)(CGE+CGDJ)。鋁鍵合線部分故障雜散電阻增大，因此門極電壓上升時間增大，上升速度減緩；芯片失效導致CGE減小，即門極回路內部雜散電容減小，所以門極電壓上升時間減小，上升速度加快。
階段2(t2<t<t3)：門極電壓超過VGE(th)，IGBT器件導通。米勒電容CGC的存在，使得VGE出現(xiàn)米勒平臺期，恒流源全部向CGC充電，因此米勒平臺持續(xù)時間與CGC有關。鍵合線全部脫落導致CGC減小，所以米勒平臺持續(xù)時間會縮短。捕捉米勒平臺需要示波器具有很高的分辨率。
階段3(t3<t<t4)：VCE下降至通態(tài)飽和壓降，VGE逐漸上升至穩(wěn)態(tài)值。由式(3)可知，CGC=COXD為常數(shù)。同階段一，鋁鍵合線部分故障VGE上升速度減慢，芯片失效時VGE上升速度加快。
綜上可知，第一階段和第三階段具有相同的變化規(guī)律，故在未能捕捉到米勒平臺的情況下，可將第一、三階段聯(lián)合起來分析。
3 實驗測試及結果
在實驗室模擬實際工況下功率循環(huán)等因素造成IGBT器件鋁鍵合線故障。研究鋁鍵合線脫落過程中門極電壓的變化規(guī)律。
圖6為開關特性測試電路，Vdc=450 V，驅動電壓高電平+15 V，頻率為10 kHz，負載阻抗為3 mH，20 Ω，柵極電阻Rg=10 Ω，示波器采樣頻率為1.25 GS/s。測量鋁鍵合線正常和分別脫落1-6根時IGBT模塊的門極開通電壓VGE，圖7為正常和鋁鍵合線發(fā)生脫落故障時門極開通電壓波形比照圖。
圖6 測試電路
由圖可以看出，當一塊IGBT芯片上的鋁鍵合線全部脫落即芯片失效時，VGE波形明顯向左上方偏，即上升速率增大；當鋁鍵合線發(fā)生部分脫落故障時，VGE波形向右下方偏，即上升速率減小，而且由于各種寄生參數(shù)的存在，其波形并不是隨著鋁鍵合線脫落根數(shù)的增加逐漸向下偏而是有所交叉。由于我們目的不是準確判斷幾根鋁鍵合線脫落而是鋁鍵合線是否已經(jīng)出現(xiàn)脫落現(xiàn)象，而且一根鋁鍵合線脫落會加速其他鋁鍵合線脫落，所以只要監(jiān)測出VGE發(fā)生異常就應該及時更換IGBT模塊。
圖7 鋁鍵合線正常和故障時門極電壓波形
4 故障特征信息提取
故障初期VGE波形變化可能不明顯，人眼辨識存在一定的局限性，這就要求對所測信號進行處理，以便抽取出有用的故障信息或找出區(qū)別于電路正常工作信號的特征。本節(jié)將小波分析與信息熵結合，將小波包分解的能量信號作為故障特征量，求取其能譜熵值，通過熵值的變化來判斷IGBT器件是否發(fā)生鋁鍵合線故障。
將小波變換與信息熵結合，可以得到信號的小波能譜熵、小波時間熵等定義及其計算方法。IGBT器件老化失效使得VGE發(fā)生變化，意味著電壓的頻譜不一樣，相應的各頻帶信號的能量也會發(fā)生變化，因此本文選用小波能譜熵的計算方法進行分析。
設E=E1，E2，…，Em，為信號VGE在m尺度上的小波能譜。根據(jù)正交小波變換特性，某一時間窗內信號的總功率E等于各分量功率Ej之和，設pj=Ej/E，則∑pj=1，相應的小波能譜熵的定義為：
式中pj表示尺度Ej的能量占整個函數(shù)能量的百分比，各分量的功率為：
式中，Dj(n)為小波分解系數(shù)，n為采樣點數(shù)。為克服小波分解在高頻段頻率分辨率較差而在低頻段時間分辨率差的問題，本文采用更精細的小波包分解。
小波能譜熵代表信號在各個小波尺度上能量分布均勻性。信號頻率成分越簡單，信號能量就越集中于少數(shù)幾個尺度上，小波能譜熵就越小[11]。
按照式(5)、式(6)對電壓信號進行小波包分解并計算能譜熵得到表1結果。
從表1可以看出，VGE的能譜熵可以作為表征鋁鍵合線脫落故障的特征值。當鋁鍵合線發(fā)生脫落1-5根時，VGE的能譜熵值減小26%~37%，雖然沒有隨鋁鍵合線故障根數(shù)增加嚴格遞減，但是相對于正常情況下也發(fā)生了較大變化；當鋁鍵合線全部脫落時，其能譜熵值增大了99.96%，較正常值發(fā)生了很大變化。故用小波能譜熵的分析方法對IGBT鋁鍵合線的脫落故障進行狀態(tài)監(jiān)測是可行的，這種方法物理意義明確且容易實現(xiàn)。
5 結論
本文在分析鋁鍵合線故障對雜散阻抗和門極電壓的影響的基礎上，通過實驗模擬鋁鍵合線脫落故障并測量門極電壓變化，得出如下結論：
(1)鋁鍵合線故障前后，門極開通電壓發(fā)生了變化且表現(xiàn)出一定的規(guī)律：部分鋁鍵合線脫落VGE向右下角方向偏，全部脫落時其波形向左上角方向偏。
(2)通過小波能譜熵算法計算鋁鍵合線故障前后的能譜熵值，故障值較正常值變化明顯，結果直觀、準確，為實現(xiàn)IGBT器件的狀態(tài)監(jiān)測提供了依據(jù)。
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