如何进行准确的IGBT模块寿命评估呢？
本文中芯长征科技将为大家介绍进行准确的IGBT模块寿命评估的方法。
1. IGBT模块老化机理
1.1绑定线疲劳
在反复的热机械应力的冲击下，IGBT模块内部绑定线会产生疲劳现象。在大电流IGBT模块中，一般会使用多根绑定线并联来分担电流，单根绑定线的失效会造成其他并联的绑定线承受更大的电流。根据P=I^2^*R，其他绑定线上的损耗也会随之增加，导致更大的热机械应力从而随之失效。另一个后果是导致IGBT或二极管芯片过热失效。
绑定线典型失效形态
1.2芯片金属化层重构
在IGBT和二极管芯片上都有铝金属化层来实现与DCB（陶瓷基板）及绑定线的连接。在热机械应力的作用下，该金属层会出现铝晶粒挤出现象。
金属化层的重构不但会造成本身层电阻增加而导致同样导通电流下的VCE上升，还有可能造成有效的芯片元胞和导通面积减少，从而产生局部的热点或烧熔。
焊接层开裂SEM图
另一种常见的焊接层退化的表现形式是焊料中空洞的形成，这会影响到工作中芯片产生的热量向外界传递的效率，长期作用下会导致芯片过热失效。
功率循环前后的焊接层超声扫描
2. IGBT模块的功率循环能力
2.1功率循环测试方法
测试时先给待测模块接通一个大电流负载I load ，待芯片结温上升到设定值T j(max)后断开I load ，然后采用小电流Imeasure下的VCE测试电压结合已校准的VCE和Tj曲线来确认结温，并通过外部散热快速冷却降低芯片结温至设定值T j(min) ，断开测试小电流I measure ，再次接通Iload并重复以上过程。
功率循环测试示意图
2.2 功率循环测试参数设置
在功率循环测试中，结温波动幅度（ΔTj=Tj.max–Tj.min）是对最终循环次数影响最大的变量。结温波动越大，对于模块内部各层施加的热机械应力越严酷，在失效前模块能够完成的循环次数越少。为保证新产品的认证测试效率，一般生产厂商会选取较大波动值如ΔTj=100K或ΔTj=70K进行功率循环测试。
在同样结温波动条件下，循环测试中的平均结温Tm=Tj.min+ΔTj/2的设置对于功率循环次数也有重要影响。在ΔTj一定的条件下，平均结温越高，则模块失效前能完成的循环次数越少。
另一个比较重要的参数是每个循环中大电流负载Iload的持续时间Ton。Ton时间越长，则每个周期模块各连接层承受的热机械应力更大，模块失效前能完成的循环次数越少。
2.3功率循环测试完成标准
上述问题会导致模块饱和压降和热阻上升，最终反映到结温的异常升高。在测试过程中一旦模块热阻Rth或是饱和压降VCE增大20%，则判断为模块失效。
功率循环测试结果
2.4功率循环寿命曲线
LESIT寿命曲线
该曲线实际上描述了不同结温波动条件下模块失效前所能完成的功率循环次数，该寿命曲线可用以下方程式表达：
LESIT功率循环曲线发布之后的数年间，IGBT模块的材料、结构设计和生产方法都取得了快速进步，这些发展对于可靠性和寿命都有实质性的提升。
标准模块功率循环寿命曲线
先进模块功率循环寿命曲线（采用优化的绑定线设计或银烧结技术）
3.不同应用中的IGBT模块寿命计算
3.1负载简单变化应用中的寿命计算
对于大多数常规的工业应用，使用赛米控的热仿真软件SEMISEL并结合相应的功率循环曲线就可以进行简单的寿命计算。下面举例说明：
某三相电机传动项目中每10秒会出现5秒的2倍过载，之后恢复至额定负载并持续5秒。该项目选用了赛米控的模块SEMiX453GB12E4s。
SEMISEL仿真参数设置
启动仿真后，在结果页会直观显示结温波动曲线及芯片结温具体值（图11）。计算出该应用的平均结温Tjm=112.5℃及结温波动ΔTj=27℃。
SEMISEL仿真结果
将Tjm=112.5℃及ΔTj=27℃代入赛米控先进模块功率循环寿命曲线，可知该应用中IGBT模块的寿命约为1500万次。
利用功率循环曲线估算IGBT寿命
3.2复杂负载条件下的寿命计算
在电梯、电动汽车以及风力发电等应用中，负载会快速且无规律的变化。以下图为例：
复杂负载条件任务曲线
在这种电流、电压、基频甚至是开关频率同时变化的工况下，需要使用SEMISEL或其他专业热仿真软件对每个工作点进行仿真，计算出功耗并精确使用热阻（或热阻抗）得到每个周期中温度波动曲线。
复杂负载条件结温波动曲线
可以看到，在基频较低的工况下会发生数次较大结温波动；而在基频较高的工况下会有大量小结温波动发生。对于这种温度曲线，目前比较通用的方法是采用雨流算法（Rain flow）
雨流算法简化温度波动
由此得到指定任务周期的循环次数。
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