IGBT 可靠性与寿命评估研究_专业集成电路测试网-芯片测试技术-ic test

《汽车电器》
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。
IGBT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，IG－ BT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。

1 IGBT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。

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。

1.2 IGBT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。

1.3 IGBT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。

2 IGBT可靠性要求

2.1 IGBT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。

2.3 IGBT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。