CN104933308B - 面向国产军用igbt模块的可靠性评估方法 - Google Patents

面向国产军用igbt模块的可靠性评估方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种面向国产军用绝缘栅双极晶体管(IGBT)模块的可靠性评估方法。通过获取芯片结温、封装温度、温变幅值和年温度循环次数，匹配与国产军用IGBT对应的芯片温度应力系数、封装温度应力系数、封装温变应力系数，并由此获取模块的失效率，以获得其可靠性评估结果。该方法，由于所用参数均通过对国产军用IGBT生产厂家及用户走访调研，采用国内产品的现场信息和实验信息通过数理统计所得，因而是有针对性的面向国产军用IGBT模块的评估方法，能准确获取国产军用IGBT模块的失效率，完全体现国产军用IGBT模块的可靠性水平。

Description

面向国产军用IGBT模块的可靠性评估方法
技术领域
本发明涉及电子器件的可靠性评估领域，尤其涉及一种绝缘栅双极晶体管(IGBT)模块的可靠性评估方法。
背景技术
众所周知，双极性晶体管(GTR)饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；MOSFET驱动功率很小，开关速度快，输入阻抗高，控制电路简单，但导通压降大，载流密度小，二者各有优缺点。但是，新型功率电子器件绝缘栅双极晶体管(IGBT)，由双极型三极管(BJT)和绝缘栅型场效应管(MOS)组成复合全控型电压驱动式功率半导体器件，既具有双极型晶体管的饱和压降低、载流密度大等优点，又具有MOSFET的输入阻抗高、控制电路简单等优点，适用于直流电压为600V及以上的变流系统中，因此广泛应用于地面雷达、飞机、船舶、军事等大功率高频电源系统。
这些大功率高频电源系统对稳定性要求极高，但是作为其组成要件的绝缘栅双极晶体管(IGBT)在长期工作过程中，内部疲劳逐渐积累，结合外部运行环境等因素的影响，当其承受的电应力、热应力、化学应力、辐射应力和机械应力以及其他因素，使其经受的应力条件超过最大额定值时，便会造成绝缘栅双极晶体管(IGBT)模块失效，直接影响整个系统的稳定性。因此，研究绝缘栅双极晶体管(IGBT)模块的失效率，并对其稳定性进行评估，对整个系统的前期设计、运行报警、安全稳定，以及寿命预测等都显得尤为重要。
但是，对绝缘栅双极晶体管(IGBT)模块的失效率的研究相对薄弱。目前，针对绝缘栅双极晶体管(IGBT)模块的失效率预测，国外建立了绝缘栅双极晶体管(IGBT)模块的失效率预测模型，如FIDES 2009从温度、热循环和振动三种应力出发，针对电应力、热应力、化学应力、辐射应力和机械应力等各应力建立影响因子的定量表征模型，考量因素较为全面，但相对复杂、实施难度较大；TR 62380则集中表征了温度和热循环对绝缘栅双极晶体管(IGBT)模块失效率的影响，模型相对简单，工程实用性更强。但是，这些模型都是针对国外绝缘栅双极晶体管(IGBT)模块而设计的，国内尚未针对绝缘栅双极晶体管(IGBT)模块建立通用、有效的失效率预测，即可靠性评估模型，通常为直接套用国外预测模型。然而，首先国内外元器件的生产制造在技术上存在差异性，其次即便是采用进口的绝缘栅双极晶体管(IGBT)模块，也由于国内封装技术及制造、控制过程与国外存在较大差距，而使国产绝缘栅双极晶体管(IGBT)模块与国外产品相比在产品薄弱环节、失效模式分布以及整体可靠性水平方面都会有较大差异，采用国外预测模型预测国内绝缘栅双极晶体管(IGBT)模块失效率，即对其可靠性进行评估并不合理，尤其是在对可靠性评估准确性要求极高的国产军用绝缘栅双极晶体管(IGBT)模块的可靠性评估方面，更是达不到技术要求。
发明内容
基于此，有必要针对国外模型评估国产军用绝缘栅双极晶体管(IGBT)模块可靠性不能达到技术要求的问题，提供一种面向国产军用IGBT模块的可靠性评估方法和系统。
一种面向国产军用IGBT模块的可靠性评估方法，其特征在于，包括步骤：
分别获取芯片结温和封装温度；
获取温变幅值和年温度循环次数；
根据芯片结温匹配与国产军用IGBT对应的芯片温度应力系数；
根据封装温度匹配与国产军用IGBT对应的封装温度应力系数；
根据温变幅值匹配与国产军用IGBT对应的封装温变应力系数；
根据芯片温度应力系数、封装温度应力系数、封装温变应力系数和年温度循环次数获取模块失效率，以获得面向国产军用IGBT模块的可靠性评估结果。
一种面向国产军用IGBT模块的可靠性评估系统，包括：
第一获取模块，用于分别获取芯片结温和封装温度；
第二获取模块，用于获取温变幅值和年温度循环次数；
第一匹配模块，用于根据芯片结温匹配与国产军用IGBT对应的芯片温度应力系数；
第二匹配模块，用于根据封装温度匹配与国产军用IGBT对应的封装温度应力系数；
第三匹配模块，用于根据温变幅值匹配与国产军用IGBT对应的封装温变应力系数；
计算模块，用于根据芯片温度应力系数、封装温度应力系数、封装温变应力系数和年温度循环次数获取模块失效率，以获得面向国产军用IGBT模块的可靠性评估结果。
本发明提出的面向国产军用绝缘栅双极晶体管(IGBT)模块的可靠性评估方法和系统，仅需根据获取的芯片结温、封装温度、温变幅值和年温度循环次数匹配各参数，即芯片温度应力系数πT1、封装温度应力系数πT2、封装温变应力系数πΔT的对应取值，获取模块失效率，以获得其可靠性评估结果。由于该些参数均通过对国内军用绝缘栅双极晶体管(IGBT)生产厂家及用户走访调研，采用国内产品的现场信息和实验信息通过数理统计所得，因而是有针对性的面向国内军用绝缘栅双极晶体管(IGBT)模块的可靠性评估方法，能准确预测国内军用绝缘栅双极晶体管(IGBT)模块的失效率，完全体现国产军用绝缘栅双极晶体管(IGBT)模块的可靠性水平。
附图说明
图1为本发明中面向国产军用IGBT模块的可靠性评估方法的一个实施例的流程图；
图2为本发明中面向国产军用IGBT模块的可靠性评估方法的另一个实施例中获取模块失效率步骤的子流程图；
图3为本发明中面向国产军用IGBT模块的可靠性评估系统的一个实施例的结构图；
图4为本发明中面向国产军用IGBT模块的可靠性评估系统的另一个实施例中计算模块的结构图。
具体实施方式
如图1所示，显示了本发明的一实施例，一种面向国产军用IGBT模块的可靠性评估方法，包括步骤：
S100：分别获取芯片结温和封装温度。
S200：获取温变幅值和年温度循环次数。
S300：根据所述芯片结温匹配与国产军用IGBT对应的芯片温度应力系数。
S400：根据所述封装温度匹配与国产军用IGBT对应的封装温度应力系数。
S500：根据所述温变幅值匹配与国产军用IGBT对应的封装温变应力系数。
S600：根据芯片温度应力系数、封装温度应力系数、封装温变应力系数和年温度循环次数获取模块失效率，以获得面向国产军用IGBT模块的可靠性评估结果。
具体的，可实时获取芯片结温和封装温度，并获取工作人员输入的温变幅值和年温度循环次数。且已预先将芯片结温与芯片温度应力系数对照表或对应曲线、封装温度与封装温度应力对照表或对应曲线、温变幅值与封装温变应力系数对照表或对应曲线存储在数据库中。根据获取的芯片结温、封装温度和温变幅值查询计算机等上位机上存储的数据库，如表1至表3所示，匹配与芯片结温对应的芯片温度应力系数πT1、与封装温度对应的封装温度应力系数πT2和与温变幅值对应的封装温变应力系数πΔT在不同条件下的取值。根据匹配的芯片温度应力系数、封装温度应力系数、封装温变应力系数，以及获取的年温度循环次数获取模块失效率，以获得面向国产军用IGBT模块的可靠性评估结果。表1至表3关于芯片温度与芯片温度应力系数πT1、封装温度与封装温度应力系数πT2以及温变幅值与封装温变应力系数πΔT间对应关系的数据均为通过走访调研国内军用绝缘栅双极晶体管模块生产厂家和用户，搜集产品现场信息和试验信息所得。
表1芯片结温与芯片温度应力系数πT1对照表
表2封装温度与封装温度应力πT2对照表
封装温度(℃) πT2 封装温度(℃) πT2
25 0.4741 75 4.4418
30 0.6131 80 5.3652
35 0.7861 85 6.4465
40 1 90 7.7066
45 1.2625 95 9.1684
50 1.5825 100 10.8568
55 1.9699 105 12.7988
60 2.4361 110 15.0235
65 2.9938 115 17.5622
70 3.6572 120 20.4484
表3温变幅值与封装温变应力系数πΔT对照表
温变幅值(℃) πΔT 温变幅值(℃) πΔT
5 0.0068 35 2.8379
10 0.0584 40 4.2931
15 0.2052 45 6.1851
20 0.5007 50 8.5742
25 1 55 11.5215
30 1.7598 60 15.0888
具体的，工作人员还可根据国产军用绝缘栅双极晶体管(IGBT)模块的产品特性、工作条件、设计要求，根据个人经验获得芯片结温、封装温度、温变幅值和年温度循环次数，直接查找表1-3匹配与国产军用IGBT对应的芯片温度应力系数、封装温度应力系数和封装温变应力系数，以据此计算模块失效率，获得面向国产军用IGBT模块的可靠性评估结果。
该实施例提出的面向国产军用IGBT模块的可靠性评估方法，仅需根据获取的芯片结温、封装温度、温变幅值和年温度循环次数匹配各参数，即芯片温度应力系数πT1、封装温度应力系数πT2、封装温变应力系数πΔT的对应取值，获取模块失效率，以获得面向国产军用IGBT模块的可靠性评估结果。由于该些参数均通过对国内军用IGBT的生产厂家及用户走访调研，采用国内产品的现场信息和实验信息通过数理统计所得，因而是有针对性的面向国产军用绝缘栅双极晶体管(IGBT)模块的可靠性评估方法，能准确预测国产军用绝缘栅双极晶体管模块的失效率，完全体现国产军用绝缘栅双极晶体管模块的可靠性水平。在该可靠性评估结果指引下，工作人员在设计系统时，可根据设计要求，如工作条件、预期寿命等，确定绝缘栅双极晶体管(IGBT)的类型、数量等，还可适当调整系统的设计结构。同时，工作人员还可根据该可靠性评估结果，预期系统的寿命，避免系统出现安全隐患。
优选的，如图2所示，在其中一个实施例中，步骤S600，根据芯片温度应力系数、封装温度应力系数、封装温变应力系数和年温度循环次数获取模块失效率的步骤包括：
S610：根据芯片温度应力系数获取芯片失效率。
S620：根据封装温度应力系数、封装温变应力系数和年温度循环次数获取封装失效率；
S630：根据芯片失效率和封装失效率获取模块失效率。
具体的，获取芯片失效率的公式为：
λ芯片＝λ01πT1；
其中，λ芯片为芯片失效率，λ01为芯片基本失效率，可取值2*10-9/h，πT1为温度应力系数；
获取封装失效率的公式为：
λ封装＝λ02πT2πΔTπN；
其中，λ封装为封装失效率，λ02为封装基本失效率，可取值4.5×10-7/h，πT2为封装温度应力系数，πΔT为封装温变应力系数，πN为循环率系数，N为年温度循环次数；
获取模块失效率的公式为：
λ模块＝λ芯片+λ封装
该实施例提出的面向国产军用IGBT模块的可靠性评估方法，通过分别获取与芯片相关的芯片失效率和与封装相关的封装失效率，从模块的内部疲劳积累与外部运行环境两个角度考虑模块的失效率，根据二者的失效率获取模块失效率，能更全方位精确获取模块失效率，获得更精确的面向国产军用IGBT的可靠性评估结果，且具体计算公式简单方便，使面向国产军用IGBT模块的可靠性评估方法实现过程更简单，效率更高。
优选的，在其中一个实施例中，步骤S100，可采用红外热成像仪获取芯片结温。具体地，通过红外热成像仪拍摄芯片的实时红外热像图，传送给计算机等上位机，通过处理该红外热像图获取模块的芯片结温。
在该实施例提出的面向国产军用IGBT模块的可靠性评估方法中，采用的红外探测法是一种非直接接触被测物体的温度测量手段，精度高，探测速度非常快，能够实现实时监测芯片结温的要求，提高了测量精度和效率。
优选的，在其中一个实施例中，步骤S100，获取芯片结温，可采用温敏参数法。具体的，根据芯片结温与电气参数之间的对应关系，采用温敏参数法监测电气参数的实时值，实现芯片结温的在线测量。即，通过本领域公知的电压、电流、时间测量方法，测量芯片的饱和压降Vcesat、栅极开通延时时间tdon、栅极阈值电压VGEth、集电极电流最大变化率(di/dt)max、和发射极电压变化率dvce/dt中的一个或几个电气参数，根据已有的温度标定曲线或曲面确定模块芯片结温的实时值。
在该实施例提出的面向国产军用IGBT模块的可靠性评估方法中，采用温敏参数法获取模块的芯片结温，无需打开模块的封装结构，也无需去除硅胶，方便有效，且测量的是芯片的平均温度，提高了测量芯片结温的精度和便利性。
优选的，在其中一个实施例中，步骤S100，获取封装温度，可采用热电阻或热电偶传感器。
如图3所示，本发明还提供一种面向国产军用IGBT模块的可靠性评估系统，包括：
第一获取模块100，用于分别获取芯片结温和封装温度；
第二获取模块200，用于获取温变幅值和年温度循环次数；
第一匹配模块300，用于根据芯片结温匹配与国产军用IGBT对应的芯片温度应力系数；
第二匹配模块400，用于根据封装温度匹配与国产军用IGBT对应的封装温度应力系数；
第三匹配模块500，用于根据温变幅值匹配与国产军用IGBT对应的封装温变应力系数；
计算模块600，用于根据芯片温度应力系数、封装温度应力系数、封装温变应力系数和年温度循环次数获取模块失效率，以获得面向国产军用IGBT模块的可靠性评估结果。
具体的，第一获取模块100和第二获取模块200分别在线实时获取芯片结温、封装温度，并获取工作人员输入的温变幅值和年温度循环次数。且已预先将芯片结温与芯片温度应力系数对照表或对应曲线、封装温度与封装温度应力对照表或对应曲线、温变幅值与封装温变应力系数对照表或对应曲线存储在数据库中。第一匹配模块300、第二匹配模块400和第三匹配模块500分别根据获取的芯片结温、封装温度、温变幅值查询计算机等上位机上存储的数据库，如表1至表3所示，匹配与芯片结温对应的芯片温度应力系数πT1、与封装温度对应的封装温度应力系数πT2和与温变幅值对应的封装温变应力系数πΔT在不同工作条件下的取值。计算模块600，根据匹配的芯片温度应力系数、封装温度应力系数、封装温变应力系数，以及获取的年温度循环次数获取模块失效率，以获得面向国产军用IGBT模块的可靠性评估结果。表1至表3关于芯片温度与芯片温度应力系数πT1、封装温度与封装温度应力系数πT2以及温变幅值与封装温变应力系数πΔT间对应关系的数据均为通过走访调研国内军用绝缘栅双极晶体管模块生产厂家和用户，搜集产品现场信息和试验信息所得。
该实施例提出的面向国产军用IGBT模块的可靠性评估方法，仅需根据第一获取模块100和第二获取模块200获取的芯片结温、封装温度、温变幅值和年温度循环次数匹配各参数，即芯片温度应力系数πT1、封装温度应力系数πT2、封装温变应力系数πΔT的对应取值，获取模块失效率，以获得面向国产军用IGBT模块的可靠性评估结果。由于该些参数均通过对国内军用IGBT生产厂家及用户走访调研，采用国内产品的现场信息和实验信息通过数理统计所得，因而是有针对性的面向国产军用绝缘栅双极晶体管(IGBT)模块的可靠性评估方法，能准确预测国产军用绝缘栅双极晶体管模块的失效率，完全体现国产军用绝缘栅双极晶体管模块的可靠性水平。在该可靠性评估结果指引下，工作人员在设计系统时，可根据设计要求，如工作条件、预期寿命等，确定绝缘栅双极晶体管(IGBT)的类型、数量等，还可调整系统的设计结构。同时，工作人员还可根据该可靠性评估结果，预期系统的寿命，避免系统出现安全隐患。
优选的，如图4所示，在其中一个实施例中，计算模块600包括：
第一计算单元601，用于根据芯片温度应力系数获取芯片失效率；
第二计算单元602，用于根据封装温度应力系数、封装温变应力系数和年温度循环次数获取封装失效率；
第三计算单元603，用于根据芯片失效率和封装失效率获取模块失效率。
具体的，获取芯片失效率的公式为：
λ芯片＝λ01πT1；
其中，λ芯片为芯片失效率，λ01为芯片基本失效率，可取值为2*10-9/h，πT1为温度应力系数；
获取封装失效率的公式为：
λ封装＝λ02πT2πΔTπN；
其中，λ封装为封装失效率，λ02为封装基本失效率，可取值4.5×10-7/h，πT2为封装温度应力系数，πΔT为封装温变应力系数，πN为循环率系数，N为年温度循环次数；
获取模块失效率的公式为：
λ模块＝λ芯片+λ封装。
可通过计算机软件或硬件，如加法器、乘法器完成上述公式的计算。
该实施例提出的面向国产军用IGBT模块的可靠性评估系统，通过第一计算单元601和第二计算单元602分别获取与芯片相关的芯片失效率和与封装相关的封装失效率，从模块的内部疲劳积累与外部运行环境两个角度考虑模块的失效率，根据二者的失效率获取模块失效率，能更全方位精确获取模块失效率，获得更精确的面向国产军用IGB模块T的可靠性评估结果，且具体计算公式简单方便，使面向国产军用IGBT模块的可靠性评估方法实现过程更简单，效率更高。
优选的，在其中一个实施例中，第一获取模块100中，采用红外热成像仪获取模块的芯片结温。具体地，通过红外热成像仪拍摄芯片的实时红外热像图，传送给计算机等上位机，通过处理该红外热像图获取模块的芯片结温。
在该实施例提出的面向国产军用IGBT模块的可靠性评估系统中，采用红外热成像仪拍摄芯片的实时红外热像图，一种非直接接触被测物体的温度测量手段，精度高，探测速度非常快，能够实现实时监测芯片结温的要求，提高了测量精度和效率。
优选的，在其中一个实施例中，第一获取模块100中，采用常规电压表、电流表或计时器等测量电压、电流和时间的装置，通过监测绝缘栅双极晶体管(IGBT)工作状态下的各电气参数，即芯片的饱和压降Vcesat、栅极开通延时时间tdon、栅极阈值电压VGEth、集电极电流最大变化率(di/dt)max、和发射极电压变化率dvce/dt中的一个或几个电气参数，根据已有的温度标定曲线或曲面确定模块芯片结温的实时值。
在该实施例提出的面向国产军用IGBT模块的可靠性评估系统中，通过监测绝缘栅双极晶体管(IGBT)工作状态下的饱和压降Vcesat、栅极开通延时时间tdon、栅极阈值电压VGEth、集电极电流最大变化率(di/dt)max、和发射极电压变化率dvce/dt中的一个或几个电气参数，通过该电气参数与芯片结温间已有的温度标定曲线或曲面确定模块芯片结温的实时值，无需打开模块的封装结构，也无需去除硅胶，方便有效，且测量的是芯片的平均温度，提高了测量芯片结温的精度和便利性。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种面向国产军用IGBT模块的可靠性评估方法，其特征在于，包括步骤：
分别获取芯片结温和封装温度；
获取温变幅值和年温度循环次数；
根据所述芯片结温匹配与所述国产军用IGBT对应的芯片温度应力系数；
根据所述封装温度匹配与所述国产军用IGBT对应的封装温度应力系数；
根据所述温变幅值匹配与所述国产军用IGBT对应的封装温变应力系数；
根据所述芯片温度应力系数、所述封装温度应力系数、所述封装温变应力系数和所述年温度循环次数获取模块失效率，以获得面向国产军用IGBT模块的可靠性评估结果；
预先将所述芯片结温与所述芯片温度应力系数对照表或对应曲线、所述封装温度与所述封装温度应力系数对照表或对应曲线、所述温变幅值与所述封装温变应力系数对照表或对应曲线存储在数据库中；其中，所述芯片温度与所述芯片温度应力系数、所述封装温度与所述封装温度应力系数以及所述温变幅值与所述封装温变应力系数间对应表或对应曲线的数据均为通过走访调研国内军用绝缘栅双极晶体管模块生产厂家和用户，搜集产品现场信息和试验信息所得；
所述根据所述芯片温度应力系数、所述封装温度应力系数、所述封装温变应力系数和所述年温度循环次数获取模块失效率的步骤，包括：
根据所述芯片温度应力系数获取芯片失效率；
根据所述封装温度应力系数、所述封装温变应力系数和所述年温度循环次数获取封装失效率；
根据所述芯片失效率和所述封装失效率获取所述模块失效率。
2.根据权利要求1所述的面向国产军用IGBT模块的可靠性评估方法，其特征在于，
获取所述芯片失效率的公式为：
λ芯片＝λ01πT1；
其中，λ芯片为芯片失效率，λ01为芯片基本失效率，可取值2*10-9/h，πT1为温度应力系数。
3.根据权利要求2所述的面向国产军用IGBT模块的可靠性评估方法，其特征在于，
获取所述封装失效率的公式为：
λ封装＝λ02πT2πΔTπN；
其中，λ封装为封装失效率，λ02为封装基本失效率，可取值4.5×10-7/h，πT2为封装温度应力系数，πΔT为封装温变应力系数，πN为循环率系数，N为年温度循环次数。
4.根据权利要求3所述的面向国产军用IGBT模块的可靠性评估方法，其特征在于，
获取所述模块失效率的公式为：
λ模块＝λ芯片+λ封装。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的面向国产军用IGBT模块的可靠性评估方法，其特征在于，
所述分别获取芯片结温和封装温度的步骤包括：
采用红外热成像仪获取芯片结温；
采用热电偶传感器获取封装温度。
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