IGBT可靠性与寿命评估研究_范学.pdf

汽车电器2023年第2期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）【摘要】IGBT 作为新能源汽车电机控制器的核心部件，直接决定了电动汽车的安全性和可靠性。本文主要介绍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评估整车寿命周期内 IGBT 模块的热疲劳寿命，最后结合电机控制器总成的试验现状，提出总成级试验中进行 IGBT 加速试验的可行性方案。【关键词】IGBT；可靠性；使用寿命中图分类号：U463.6文献标志码：A文章编号：1003-8639（2023）02-0051-05Research on IGBT Reliability and Lifetime EvaluationFAN Xue，WANG Sheng，ZHENG Ke-ke，LIANG Peng，ZHAO Ming-fang（BYD Auto Industry Company Limited.，Shenzhen 518118，China）【Abstract】As the core component of the new energy vehicle motor controller，IGBT directly determines thesafety and reliability of electric vehicles.This article introduces the use of thermistor electrical parameter method toextract the IGBT junction temperature，combined with CLTC and other test conditions to obtain the correspondingjunction temperature curve，and evaluate the thermal fatigue of the IGBT module during the life cycle of the vehiclethrough rain flow analysis and Miner linear cumulative damage criterion.life.Finally，combined with the current statusof the motor controller assembly test，the feasibility of IGBT acceleration test in the assembly-level test is proposed.【Key words】IGBT；reliability；lifetime收稿日期：2022-06-28IGBT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%。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。1IGBT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。作者简介范学（1983），男，工程师，主要研发方向为汽车试验技术；王胜（1985），男，工程师，主要研发方向为环境及可靠性试验技术；郑珂珂（1995），女，工程师，硕士，主要研发方向为环境及可靠性试验技术；梁鹏（1979），男，高级工程师，博士，主要研究方向为汽车试验技术；赵明芳（1988），男，工程师，主要研发方向为环境及可靠性试验技术。图1IGBT功率器件在新能源汽车上的应用图2IGBT简化等效电路Design research/设计研究51DOI:10.13273/ki.qcdq.2023.02.028Auto electric parts No.02，2023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。1.2IGBT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。1.3IGBT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。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。2IGBT可靠性要求2.1IGBT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。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。2.3IGBT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。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。2）功率循环(PCmin)：检验绑定线与芯片的连接点可图3IGBT的结构图4IGBT热传递图5IGBT导通损耗和开关损耗示意图图6IGBT模块可靠性要求图7电控问题统计柏拉图表1IGBT可靠性试验项目可靠性试验IGBT模块可靠性芯片可靠性高温阻断试验高温栅极偏置试验高压高温高湿阻断试验功率循环试验(PCsec)封装可靠性机械振动/冲击功率循环试(PCsec/PCmin)温度冲击/温度循环高/低温贮存设计研究/Design research52汽车电器2023年第2期靠性，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。2.4IGBT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。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。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。3IGBT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。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。3.2IGBT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8功率循环试验（PCsec）曲线图9热膨胀系数图10IGBT模块的失效模式图12IGBT耗损失效图11浴盆曲线及失效原因图13研究思路Design research/设计研究53Auto electric parts No.02，20233.2.2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。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。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（ChinaLight-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。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。K=（THi-TL0）（VHi-VL0）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/。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：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；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；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。3.3.3温度分布（T）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T出现的频次。温度分布T如图23所示。图16热敏感电参数