0 引言

    高頻化、大功率化和集成化是絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)不斷發展的方向^[1]。功率和集成度的增加使得IGBT所承受的功率密度不斷升高，同時隨著技術的不斷發展IGBT工作的頻率也不斷增大，這些都使器件的發熱問題愈加嚴重。IGBT各層材料的厚度、熱膨脹系數、熱導率、熱阻值和熱容值各不相同，在溫度梯度與熱應力的反復沖擊下，焊料層之間產生的剪切應力導致薄弱處將逐漸產生細微的裂紋。裂紋的不斷增加會減小硅芯片熱量傳導和焊料層的有效傳熱面積，導致其平均溫度升高，加速空洞的產生和封裝熱阻的增加^[2]。風電系統的運行過程中，服役期內運行周期T_o(in operation)和維修周期T_m(in maintaining)交替出現。如果能在維修周期中對模塊的特性進行檢測，從而估計它的健康狀態以及仍可安全運行的時間，必然產生巨大的經濟效益，并提高電網的安全運行。因此研究IGBT功率模塊在熱應力不斷沖擊過程中熱阻的老化規律，并以此為依據對模塊的健康狀態進行評估，預測模塊的剩余壽命具有十分重要的科學意義。

1 IGBT熱疲勞形式分析

    IGBT器件的熱疲勞現象通常分為兩種形式，一種是功率循環模式，另一種是溫度循環模式。功率循環加速老化方法通電時間短，冷卻時間長，殼溫T_c在一個溫度沖擊循環過程中的變化較小，而IGBT芯片的溫度(T_j)波動劇烈，該方法主要用于模擬鍵合線老化失效^[3]。溫度循環加速老化方法一次循環時間較長，較長的循環時間不僅使結溫波動量ΔT_j較大，同時也使得殼溫T_c的變化幅值差ΔT_c較大，該方法能同時模擬鋁鍵合線和焊料層的老化失效^[4]。

    IGBT模塊內部材料結構的退化必然導致外部電熱參數出現一定變化，變化較為明顯的是模塊導通飽和壓降和熱阻。由于飽和壓降測量較容易，多數文獻研究飽和壓降的退化規律^[5-7]，本文則利用定制的IGBT老化實驗平臺和熱阻測試系統研究溫度循環下IGBT熱阻的退化規律。

2 實驗原理和實驗平臺

2.1 試驗方案

    正常工作情況下IGBT模塊的壽命約為10年，在正常工作下研究其退化規律花費時間過長，因此考慮加速老化實驗。如圖1所示為加速老化實驗的電路原理圖，圖中DUT為試驗器件；PWR為程控試驗電源(5 V，300 A)；V_G為G腳程控電壓(0～15 V)；R_G為G腳串聯電阻(10 Ω/2 W)；RIS為電流互感器(0～300 A)。

    具體實驗過程如下：首先對全新的IGBT器件進行測試，用IGBT熱阻測試平臺測量IGBT器件溫度系數、飽和壓降及集電極電流，計算出熱阻。然后對IGBT模塊進行溫度循環老化實驗,殼溫由40 ℃升溫到90 ℃，再由90 ℃降溫至40 ℃，此為一個溫度循環，每循環1 000次后，再采用熱阻測試系統測量IGBT器件溫度系數、飽和壓降及集電極電流，計算出熱阻。重復以上步驟，直到模塊老化失效，實驗停止。

2.2 熱阻測試平臺

2.2.1 熱阻測量的原理

    以結殼熱阻為例，穩態熱阻的定義式為：

式中，T_j為模塊的結溫，T_c為模塊的殼溫(銅底板溫度)，P_loss為模塊的平均功率損耗。

    殼溫可以通過在器件底部放置溫度傳感器獲得，功率損耗可以通過測量導通飽和電壓和集電極電流計算得到。但結溫是器件內部芯片上的最高結溫，不易直接測量，因此采用熱敏參數法獲得器件的結溫。小電流下半導體PN結電壓隨溫度變化具有非常好的線性，用半導體器件結電壓作為溫敏參數，測量其工作條件下的變化，可以達到測量溫升及熱阻的目的。采用小電流下的IGBT集電極-發射極電壓作為熱敏參數的測量電路圖如圖2所示。

2.2.2 試驗布驟

    試驗分兩步進行：

    (1)將IGBT模塊置于控溫箱中，同時將控溫箱溫度設置為T₁，通入測量電流I_M，測量此時的集射極電壓V_CE1；再將溫度設置為溫度值T₂，測量溫度T₂時的集射極電壓V_CE2得到模塊的溫度系數：

    (2)將測試模塊從控溫箱中取出并固定在散熱器上，測量此時模塊的殼溫T_c1，通入測量電流I_M來測試此時模塊的集射極電壓V_CE3。接著，對測試模塊通以加熱大電流I_C，當模塊達到熱平衡后測定此時的殼溫T_C2以及集射極電壓V_CE4。最后，斷開開關K，切斷加熱大電流并閉合K₁通以小測試電流I_M，在極短時間內測量此時的集射極電壓V_CE5。通過上述相關測量可以獲取通以加熱大電流后達到平衡時模塊溫度T_j的公式：

2.3 加速老化試驗平臺

    加速老化實驗系統采用上位機控制方式。系統配置十個相對獨立的老化實驗區，每個老化實驗區由加熱電路(提供0~300 A直流電流)、驅動電路(提供0~20 V的驅動電壓)和冷卻系統(風機和散熱器)組成(如圖3所示)。其中①安裝平臺: 用于試驗器件的固定與散熱(中間帶有溫度探頭);②風機：用于試驗器件(包含散熱器)的輔助風冷散熱;③④：電源功率輸出的正端和負端(提供加熱電流)；⑤⑥：驅動電源的正負極(為IGBT提供驅動電壓)。上位機可以實時顯示每個實驗區域的狀態、循環次數、采樣數、運行時間、每個循環的導通時間和斷開時間、V_cesat、導通電流、殼溫等。

3 實驗結果分析

3.1 多項式模型理論分析

3.1.1 多項式模型擬合次數選擇

    多項式擬合次數越高對已有點的描述越貼切，但如果擬合次數過高的話又會削弱數據的趨勢性，因此需要選定最佳的擬合次數。

    設有n個成對的點x，y=(x₁，y₁)、(x₂，y₂)、(x₃，y₃)…(x_n，y_n)

    對這n個點進行多項式擬合，下標代表擬合多項式次數

3.1.2 多項式模型回歸分析

    模型建立后需要對模型進行可信度檢驗，本文用方差分析檢驗多元回歸模型的統計可信度。方差分析將因變量的變異分解成組內部分和組間部分，然后比較組間部分和組內部分的相對大小，據此來判斷基于樣本數據得到的回歸模型是否真實反映總體的變化規律。具體公式如下：

    其中：SST為殘差平方和，SST為總平方和，SSR為回歸平方和，R²為判定系數

    R²(0~1)反映趨勢線的估計值與對應的實際數據之間的擬合程度，越接近1則說明趨勢線的可靠程度就越高。

3.2 實例分析

    實驗中，首先將全新的IGBT模塊放在調溫調濕箱中做小電流測試實驗，測量I_M分別為10 mA、30 mA、50 mA、100 mA時，IGBT模塊在不同結溫下的飽和壓降U_(sat)ce。結溫由恒溫箱控制，使恒溫箱在某一溫度下保持足夠長的時間，此時IGBT結溫等于環境溫度，且測試電流足夠小，模塊在測量過程中不自熱，認為結溫始終等于恒溫箱設定溫度。使恒溫箱的溫度從-20 ℃～100 ℃變化，每隔10 ℃測量一次。實驗結果如圖4所示，可以看出IGBT飽和壓降隨結溫基本成線性關系，其中測試電流為100 mA時線性度最好，因此選擇100 mA作為測量溫度系數的測試電流。

    對100 mA下的測量結果進行線性擬合，擬合結果如圖5所示，得到溫度系數α=2.130 8，通過式(4)可以得到IGBT的初始熱阻為0.15 ℃/W。將IGBT模塊放入老化設備中，每經過1 000次溫度循環，測量模塊在100 mA下的溫度系數，并計算得到的熱阻，直到器件失效為止。圖6為溫度循環下IGBT熱阻及其偏移量的波形。

    由圖可知，隨著熱應力的不斷沖擊，IGBT的性能發生了一定程度的退化，熱阻隨著溫度循環次數的增多不斷增大。

    通過對數據進行分析發現熱阻增量符合多項式模型，對熱阻增量進行不同次數的多項式擬合，并用上述擬合次數選擇標準進行判斷，發現熱阻退化量最佳擬合模型為四次多項式模型（擬合曲線如圖7所示）。

    R_thp=0.349 7+0.001 1x+7×10^-7x²-1×10^-10x³+6×10^-15x⁴

    式中：x為溫度循環次數，R_thp為熱阻退化量。

    對擬合模型進行方差分析，得到擬合系數R²=0.995 7，非常接近1，說明擬合程度很好，IGBT熱阻在溫度循環下的退化模型符合四次多項式模型。

4 結論

    隨著溫度沖擊的不斷增加，模塊焊料層出現疲勞損傷，外部特征表現為器件熱阻不斷增大。對測得IGBT熱阻的退化數據進行分析，發現退化數據符合多項式模型。在給定最佳模型判定條件下，對實驗結果進行曲線擬合發現本次實驗IGBT熱阻退化規律最佳擬合模型為四次為多項式模型。

參考文獻

[1] 王兆安，黃俊.電力電子技術[M].北京：機械工業出版社，2000.

[2] AMRO R，LUTZ J.Power cycling with high tcmpcrature swing of discrete components based on different technologies[C].IEEE PESC.Piscataway，USA：IEEE，2004：2593-2598.

[3] HAMIDI A，BECK N，THOMAS K，et al.Reliability and lifetime evaluation of different wire bonding technologies for high power IGBT modules[J].Microelectronics Reliability，1999，39：1153-1158.

[4] BERG H，WOLFGANG E.Advanced IGBT modules for railway traction applications: reliability testing[J].Microelectronic Reliability，1998，38：1319-1323.

[5] 杜熠，李璠，曾照洋，等.IGBT性能退化模型構建方法研究[J].電力電子技術，2013，47（1）：104-106.

[6] 楊旭.基于飽和壓降測量的IGBT功率模塊狀態評估方法研究[D].重慶：重慶大學，2012.

[7] 陳明，胡安，劉賓禮.絕緣柵雙極型晶體管失效機理與壽命預測模型[J].西安交通大學學報，2011，45(10)：65-71.