文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.191267
中文引用格式： 周小康，馬奎，梁蓓. IGBT模塊失效機理和主動熱控制綜述[J].電子技術(shù)應用，2020，46(2)：18-23.
英文引用格式： Zhou Xiaokang，Ma Kui，Liang Bei. Summary of IGBT module failure mechanism and active thermal control[J]. Application of Electronic Technique，2020，46(2)：18-23.
0 引言
電力電子設備因其能量轉(zhuǎn)換效率高、主動可控性和較快的動態(tài)響應速度等優(yōu)點[1]，廣泛應用于對于可靠性需求較高的新能源發(fā)電、航空航天、高速機車牽引、混合動力電動汽車和工業(yè)電機驅(qū)動等領(lǐng)域中。在這些場合應用時，電力電子設備會面臨各種或規(guī)律或不規(guī)律的功率大波動以及各種周期或非周期性的強機械振動等極端工況[2]，相關(guān)統(tǒng)計[3]表明，在光伏發(fā)電系統(tǒng)中計劃外的檢修有37%是由變流器故障引起的。而在變流器中[4]（如圖1所示）功率器件常被列為最易失效的部件，同時根據(jù)調(diào)查，在工業(yè)中最常用的功率器件是IGBT[3]。目前，對電力電子設備可靠性的研究主要包括失效機理研究、壽命預測[5]、狀態(tài)監(jiān)測[6]和主動熱控制[7]等。
本文首先梳理了近年來國內(nèi)外IGBT模塊失效機理的相關(guān)研究內(nèi)容，其次重點總結(jié)了主動熱控制方向的研究工作，分別對主動冷卻、熱電制冷和電參數(shù)法這三種主動熱控制方法的研究進展進行了分析，最后從提高器件封裝可靠性設計、改善器件運行外部工況角度對IGBT模塊主動熱控制方向的未來工作進行展望。
1 IGBT故障模式和失效機理
對于IGBT模塊，它的失效涉及電、熱、機械等多方因素[8]，并且失效過程與IGBT本身的動態(tài)特性是密切相關(guān)的。其失效機理根據(jù)時效性可以分為兩種：過應力失效和磨損失效。過應力失效是瞬時的、災難性的；而磨損失效則是長時效性的，器件內(nèi)部疲勞會隨時間逐步累積，同時伴隨著外部電路及工況等因素的相互影響，導致器件性能逐漸退化直至失效。
1.1 過應力失效機制
過應力失效主要與功率芯片的過壓過流過熱等情況的發(fā)生有關(guān)。在芯片發(fā)生過壓與過流時，模塊內(nèi)部會產(chǎn)生大量熱量從而導致器件過熱損毀，并且器件存在發(fā)生二次擊穿的風險[9]。由于過應力失效發(fā)生的瞬時性，因此需要確保選用IGBT模塊時留有足夠的安全裕量或器件充分散熱，以保證模塊在安全工作區(qū)內(nèi)運行。
1.1.1 短路
IGBT模塊運行的各個時間段都有發(fā)生短路現(xiàn)象的可能。開啟期間的IGBT發(fā)生柵極電壓過高[10]和外部故障可能就會引起短路。導通狀態(tài)期間靜態(tài)閂鎖[11]或由二次擊穿引起的過溫[12-14]以及能量沖擊[15-16]等現(xiàn)象也會引起模塊短路。關(guān)斷期間動態(tài)閂鎖[17-18]或高壓擊穿[19-20]同樣可能導致器件短路。而關(guān)閉狀態(tài)下的熱失控現(xiàn)象也會造成模塊故障。短路機制如表1所示。
在IGBT關(guān)斷瞬間，IGBT會存在高壓、大電流現(xiàn)象。由于IGBT在關(guān)斷時，首先關(guān)斷元胞區(qū)，再關(guān)斷過渡區(qū)(元胞區(qū)與終端區(qū)中間過渡的部分)，最后才是關(guān)斷器件的終端區(qū)。由于關(guān)斷IGBT自身不同區(qū)域存在時差，會存在如當元胞區(qū)己經(jīng)關(guān)斷時，存留于IGBT器件內(nèi)部的電流就會立即往仍處于開通狀態(tài)的區(qū)域(比如終端區(qū))涌去造成電流集聚現(xiàn)象，而電流過度集中則會形成電流絲，進而促發(fā)器件內(nèi)部產(chǎn)生動態(tài)雪崩現(xiàn)象，這在文獻[22]中稱為延遲故障。通過實驗和數(shù)值模擬驗證，大的漏電流導致熱失控[23]，而通過研究發(fā)現(xiàn)，可以通過 EC這個能量節(jié)點來解釋反復短路操作中災難性故障和磨損故障的失效機理。當短路能量低于EC時，IGBT還能繼續(xù)重復運作104次。但是，當短路能量遠遠超出EC時，由于熱失控，IGBT在首次短路后就很可能會發(fā)生故障。盡管在現(xiàn)有技術(shù)研究[24-25]中已經(jīng)進行了許多實驗和數(shù)值模擬，但能量大于EC時所發(fā)生的失效由于IGBT過應力失效的瞬時性，依舊難以分析。
1.1.2 斷路
IGBT的斷路故障源于振動所導致外部斷開，以及由于短路電流過大引起的鍵合線剝離或破裂[26]。它可能產(chǎn)生電流脈沖，輸出電流或電壓失真，并在一段時間后導致其他組件的二次故障。斷路也可能是由于沒有柵極驅(qū)動信號，如設備中元件的損壞以及IGBT與設備之間連接線損壞等[27]。
1.2 磨損
對于典型的多層引線鍵合IGBT模塊(圖2)，當變流器處理大范圍的隨機波動功率時，電流使IGBT模塊長期承受熱循環(huán)沖擊[28]。由于IGBT各層材料與芯片的熱膨脹系數(shù)(Coefficient of Thermal Expansion，CTE)的差異與溫度波動相結(jié)合導致了各層的熱形變。其中，鍵合線失效[29-33]和焊料層失效[34-36]是磨損失效的主要方式。
1.2.1 鍵合線失效
眾所周知，典型多層引線鍵合IGBT模塊內(nèi)的三個易失效的點是硅芯片互連的鋁鍵合線、硅芯片-DCB焊點以及DCB-基板焊點[29]。IGBT模塊中最常見的失效機制之一是鍵合線剝離。這種失效機制是由于CTE失配(鋁和硅之間)與溫度波動的耦合所造成的[30]。圖3(a)展示了結(jié)溫變化幅度較大的熱疲勞測試中，裂紋沿著鋁鍵合線與芯片表面的接觸界面的兩端傳播到中心的一種裂紋擴展現(xiàn)象。當裂紋到達中心時，鍵合線會翹起[31-32]。根據(jù)文獻[33]，通過在硅芯片頂部安裝應變緩沖器或使用將連接線粘到硅芯片上的涂層等不同的技術(shù)手段，可以延緩鍵合線的翹曲現(xiàn)象。鍵合線根部開裂是標準鍵合IGBT模塊中可能出現(xiàn)的另一種失效機制。這種失效是由歐姆自熱所造成的，因此鍵合線根部裂紋是一種比翹曲更為漫長的失效機制[32]。
1.2.2 焊料層失效
引線鍵合的IGBT模塊的另一個主要失效機制是焊料空洞和開裂[34]。在一個標準的IGBT模塊中有兩個焊料層：硅芯片DCB之間的焊料層和DCB基板之間的焊料層。因為DCB基板與基板之間的CTE失配系數(shù)高于DCB基板與Si之間的，所以DCB基板與基板之間的焊料層更為脆弱。而由于CTE失配，各層材料之間產(chǎn)生交變應力，使材料彎曲變形并產(chǎn)生蠕變疲勞，導致焊料層出現(xiàn)裂紋和空洞，進而影響了器件內(nèi)熱量的有效傳導(正反饋過程)，加速了器件的老化進程。而芯片連接的熱阻增加也將引發(fā)嚴重的局部加熱使芯片損毀[35]。
功率器件的磨損失效過程十分復雜，文獻[36]認為焊料失效是IGBT失效的主要失效機理，文獻[37]發(fā)現(xiàn)鍵合線故障總是出現(xiàn)在焊料層過溫后。同時在老化試驗中，有70%的功率模塊最終失效表現(xiàn)是鍵合線剝離或熔斷[38]。因此器件磨損失效是鍵合線和焊料層失效共同作用下的表現(xiàn)。
2 主動熱控制
功率器件的主動熱控制，是將器件結(jié)溫作為反饋量，通過控制器件電氣參數(shù)或外部條件對器件運行狀態(tài)進行調(diào)整以提高功率器件的可靠性，并延長器件的使用壽命的一種技術(shù)。功率器件的主動熱控制可分為內(nèi)部熱控制和外部熱控制[39]。
2.1 外部熱控制
外部熱控制主要通過在器件外部添加散熱裝置按照一定的控制策略調(diào)節(jié)器件外殼到環(huán)境的熱阻，以達到調(diào)整器件散熱方式和散熱速率的效果。
2.1.1 主動冷卻
主動冷卻是指冷媒循環(huán)傳熱，利用媒介將熱量從器件內(nèi)部加速帶出至環(huán)境中。目前主動冷卻的方式有：風冷、直接液冷、微通道、兩相強制對流、射流沖擊以及噴霧換熱。
標準的主動冷卻方法中，風扇以恒定的速度驅(qū)動，并施加恒定的偏壓。若以溫度調(diào)節(jié)的方式來區(qū)分，如圖5所示，它是一種前饋控制的方法，在系統(tǒng)中，功率耗散和環(huán)境溫度都會被調(diào)節(jié)模塊所感應到，然后調(diào)制風扇轉(zhuǎn)速，來將給定位置處的溫度(TX)降至最低[40]。其優(yōu)點在于這個系統(tǒng)是開環(huán)的(即它不受穩(wěn)定性問題和環(huán)境條件的影響)，這種主動冷卻的方法可以預測溫度變化，也就是說，可以在溫度發(fā)生任何變化之前對干擾(功耗的變化)作出反應，從而使系統(tǒng)擁有更高的效率。其限制是無法直接監(jiān)測和調(diào)節(jié)TX，而TX是一個實際變量，其值會受給定的參考值的約束[41]。
IGBT應用過程中，IGBT的散熱設計需要考慮選擇單側(cè)冷卻或雙側(cè)冷卻。而與單側(cè)冷卻液相比，雙面冷卻液可以散去器件內(nèi)76%以上的熱量。然而，常規(guī)焊接式的IGBT很難滿足雙面冷卻的要求。而相較于焊接式的IGBT，壓接式IGBT是最為合適的候選模塊，其可靠性高，且兩側(cè)的導熱系數(shù)高[42]，但其造價較高，使用范圍較窄。目前，大部分的冷卻方式，如強迫風冷和單相液冷，都使用單側(cè)冷卻。當散熱面比較大的時候有各種各樣的被動冷卻方法將熱量散出，但如果可用于散熱的面積很小，則不可避免地需要使用到主動冷卻方法。
2.1.2 熱電制冷
熱電制冷主要利用珀爾帖效應將器件溫度傳至環(huán)境中，其制冷效果主要取決于電偶對材料的熱電勢[43-44]。由于半導體材料具有較高的熱電勢，因此，可以用它來制成小型的熱電制冷器。由于熱電制冷器不需要介質(zhì)，又無機械部件，可靠性高，并可以逆向運轉(zhuǎn)，而且溫度可以精確地控制在±0.01 ℃[45]，在電子設備或電子元器件的熱控制方面得到了比較廣泛的應用。早期的熱電制冷主要注重靜態(tài)的熱負載的研究[46]，但隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，器件工況越來越復雜，就需要將器件溫度作為一種動態(tài)熱負載來看待，即需要考慮更多的問題如額外功耗以及新的控制電路等[47]。目前，熱電制冷（TEC）已成為制冷領(lǐng)域的一個重要發(fā)展方向，但是由于其轉(zhuǎn)換效率過低且材料成本較高，難以得到廣泛應用。
2.2 內(nèi)部熱控制
內(nèi)部熱控制主要從器件發(fā)熱源頭上進行溫度控制，可調(diào)節(jié)的因素包括開關(guān)頻率、開關(guān)調(diào)制方式和驅(qū)動波形等，如圖6所示[48]。
(1)開關(guān)頻率
功率器件在應用中，開關(guān)頻率的大小直接影響開關(guān)損耗，因此可以通過調(diào)節(jié)開關(guān)頻率對器件結(jié)溫進行控制。文獻[49]中報道了幾種方法，主要用改變脈沖寬度調(diào)制（PWM）的頻率來限制最大結(jié)溫。在文獻[50]中采用了相同的技術(shù)，其目的也是采用滯環(huán)頻率控制來限制結(jié)溫變化，對變頻器啟動階段的溫度沖擊抑制效果進行了實驗驗證，具有良好的控制效果。
(2)開關(guān)調(diào)制方式
眾所周知，器件損耗也會受到開關(guān)調(diào)制方式的影響，因此也可以通過改變開關(guān)調(diào)制方式來控制結(jié)溫。文獻[51]、文獻[52]中通過在連續(xù)和離散的60°PWM之間的轉(zhuǎn)換來減少損耗以達到控制結(jié)溫的效果，但由于對電流紋波的影響有所不同，需要仔細考慮應用。
(3)開關(guān)驅(qū)動波形調(diào)整
器件開關(guān)損耗還受門極驅(qū)動信號的影響，因此可以通過調(diào)整開關(guān)驅(qū)動波形實現(xiàn)損耗控制[53]。實現(xiàn)方式是通過外部驅(qū)動電路設計以調(diào)節(jié)驅(qū)動電壓的幅值、上升時間、下降時間等。因此，該方法對驅(qū)動電路的精度和速度有著較高要求。
綜上所述，不同設備都可以通過主動熱控制來實現(xiàn)功率模塊中熱循環(huán)的減少。主動冷卻可以通過外部設施來達到降低器件內(nèi)部結(jié)溫的目的，但氣溫過低時無法通過利用其進行升溫操作，使用時需要集成其他設備來完成這一操作；熱電制冷可以通過珀爾帖效應平滑結(jié)溫，但其轉(zhuǎn)換效率過低且材料價格高昂；電參數(shù)法可以直接從發(fā)熱源頭控制溫度，但只能通過控制開關(guān)損耗來降低結(jié)溫，而這種控制卻是以降低系統(tǒng)性能為代價，使用時需要根據(jù)實際情況來平衡。
3 結(jié)論
本文系統(tǒng)地綜述和比較了IGBT模塊的各種失效機理，包括過應力失效和磨損失效。并重點介紹了主動熱控制這種提高電力電子系統(tǒng)可靠性的實現(xiàn)手段。
借助對失效機理的研究，內(nèi)部對IGBT模塊以優(yōu)化封裝結(jié)構(gòu)、優(yōu)化材料、優(yōu)化開關(guān)等方法提高電力電子設備的運行可靠性，外部通過主動冷卻，根據(jù)功耗和環(huán)境溫度的變化調(diào)節(jié)散熱效率維持恒溫來提高IGBT模塊的可靠性。
功率器件通常工作在隨機的功率下，因此利用主動熱控制技術(shù)能很好地實現(xiàn)對于結(jié)溫的控制，但同時，作為新興的一種熱保護手段，它也還有很多限制，比如在進行控制時并沒有一個整體的系統(tǒng)框架，環(huán)境溫度與功耗兩者之間的調(diào)節(jié)仍無準確算法，無法對每次開關(guān)都進行完美控制，也沒有考慮模塊的老化所導致的問題以及如何平衡器件性能和溫度控制之間的關(guān)系等。總而言之，研究IGBT功率模塊的主動熱控制技術(shù)具有十分重要的理論和實際工程意義。
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作者信息:
周小康1，馬 奎1，2，梁 蓓1，2
(1.貴州大學 大數(shù)據(jù)與信息工程學院，貴州 貴陽550025；
2.半導體功率器件可靠性教育部工程研究中心，貴州 貴陽550025)