CN105242189A - 基于集射极饱和压降与焊料层空洞率的igbt健康状态监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力电子器件与装置可靠性技术领域，具体涉及一种基于集射极饱和压降与焊料层空洞率的IGBT健康状态监测方法。安装调试完毕后，投入使用之前，在一定条件下测试IGBT器件的集射极饱和压降与焊料层空洞率并标记初始值；器件投入使用后，定期测试IGBT器件的集射极饱和压降和焊料层空洞率并记录测量值；将测量值与初始值进行比较，根据比较结果判断IGBT器件的集射极饱和压降与焊料层空洞率是否达到失效标准；当集射极饱和压降与焊料层空洞率未达到IGBT器件失效标准时测试值带入仿真模型中，计算出IGBT器件的疲劳老化进程与剩余寿命；当达到IGBT器件失效标准时，判定为器件失效并对IGBT器件进行更换。本发明直接用于IGBT器件的健康状态监测与可靠性评估。

Description

基于集射极饱和压降与焊料层空洞率的IGBT健康状态监测方法

技术领域

本发明属于电力电子器件与装置可靠性技术领域，具体涉及一种基于集射极饱和压降与焊料层空洞率的IGBT健康状态监测方法。

背景技术

为满足国民经济发展中节能减排、低碳环保、开发绿色新能源的迫切需求，以及实现国防建设中武器装备跨越式发展的重大目标，采用各种电力电子装置对电能的产生、输送、使用进行高效变换与控制，已成为弱电智能控制强电运行，信息技术与先进制造技术相融合，传统产业实现自动化、智能化、节能化，以及海军舰船综合电力系统和新型武器系统中不可缺少的环节。

绝缘栅双极型晶体管(IGBT)作为全控型电力电子器件的典型代表，已广泛应用于各种中、大功率电能变换装置。IGBT通常工作于PWM调制脉冲方式下，模块结温在连续脉冲反复作用下将会不断累积上升，经过一个逐步上升过程，最后进入周期性近似等幅波动状态，此时IGBT产生的功率损耗与散热装置的功率耗散能力之间达到平衡，结温近似保持恒定。当IGBT停止工作，或是负载、散热条件发生较大变化时，这种热平衡都将被打破，温度也将随之发生变化，直至进入新的平衡工作点或是冷却至环境温度。对于一般连续工作的电力电子装置，启动一段时间后，会保持相对稳定的持续工作状态，IGBT温度波动较小。然而，随着电力电子装置在风力发电、高速电力机车、以及海军舰船综合电力系统的储能模块、区域配电模块、新型高性能武器等场合的应用日益增多，IGBT逐渐广泛应用于城市轻轨、地铁、高铁，以及某些高性能电磁武器，如轨道炮等反复加速减速、启动停止的电能变换场合。在这些装置中，一方面IGBT的工作电压、电流等级高，产生的功耗使模块平均工作结温升高，另一方面由于反复加热、冷却，IGBT结温波动显著，通常平均结温在60～80℃，温度梯度在70～90℃左右，甚至更高。目前，大功率IGBT一般采用模块化封装结构，IGBT芯片通过铜层、焊料层、DBC陶瓷层等多层结构焊接在底板上。IGBT产生的功耗主要通过热传导方式垂直向下传递，最后被安装于底板的散热装置带走，在芯片与底板间由高到低形成一定的温度梯度分布。由于不同材料的热膨胀系数不同，在重复加热与冷却过程中IGBT模块各层材料受到热机械应力的反复冲击，达到材料的疲劳极限后会引起器件失效，严重时，将导致整个装置彻底崩溃。

IGBT器件疲劳失效，是指随着器件运行时间的累积，芯片和封装材料逐渐产生疲劳，可靠性逐渐下降，最终导致器件疲劳失效，IGBT器件疲劳失效模式包括芯片疲劳失效和封装疲劳失效。封装疲劳失效是指在电热应力作用下IGBT封装材料产生疲劳，随着封装疲劳程度的加剧，模块电气性能和现象表征发生变异，主要包括集射极饱和压降与焊料层空洞率逐渐增大，直至器件失效。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种基于集射极饱和压降与焊料层空洞率的IGBT健康状态监测方法，可直接用于IGBT器件的健康状态监测与可靠性评估。

本发明提供了一种基于集射极饱和压降与焊料层空洞率的IGBT健康状态监测方法，包括下列步骤：

A.安装调试完毕后，投入使用之前，在一定条件下测试经检测合格的IGBT器件的集射极饱和压降与焊料层空洞率，分别标记为初始值V_ST和P_ST；

B.IGBT器件投入使用后，定期测试IGBT器件的集射极饱和压降并记录测量值V_CE(sat)，定期测试IGBT器件的焊料层空洞率并记录测量值P_void；

C.将测量值V_CE(sat)与初始值V_ST、测量值P_void与初始值P_ST进行比较，根据比较结果判断IGBT器件的集射极饱和压降与焊料层空洞率是否达到失效标准；

D.当集射极饱和压降与焊料层空洞率未达到IGBT器件失效标准时，将步骤b中获得的测试值带入集射极饱和压降与焊料层空洞健康状态监测方法仿真模型中，该模型参数通过IGBT使用手册和参数提取方法获取，进而计算出IGBT器件的疲劳老化进程与剩余寿命，实现IGBT健康状态监测；

E.当集电极漏电流达到IGBT器件失效标准时，判定为器件失效并对IGBT器件进行更换，并重复上述步骤。

上述技术方案中，步骤D中IGBT器件的集射极饱和压降VCE_(sat)和IGBT器件的焊料层空洞率P_void仿真模型如下式：

P_void＝a·N_f+b(1)

V_CE(sat)＝n·exp(m·N_f)+c·N_f+d(2)

T_f＝N_f·T(3)

其中，N_f为功率循环次数，T为IGBT设定的功率循环周期，T_f为IGBT已使用的时间，a为与应力水平相关的系数，b为焊料层空洞率初始值，n、m和c为与应力水平相关的系数，d为集射极饱和压降初始值。

上述技术方案中，步骤C中提到的IGBT器件失效标准依据器件失效国际标准IEC47E/114/CDV和IGBT行业通用失效标准，当V_CE(sat)＝1.05·V_ST或P_void＝1.05·P_ST时，判定为IGBT失效。

上述技术方案中步骤D通过比较由模型计算出的IGBT已使用的时间和产品设定的使用寿命，判断产品的疲劳老化进程和剩余寿命。

上述技术方案中，IGBT集射极饱和压降V_CE(sat)由5部分组成，分别为端子压降V_{cu_p}、底板压降V_{cu_m}、键丝压降V_wire、焊点压降V_{die_att}和芯片压降V_chip，步骤B中各部分压降值变化情况通过测量与计算获取，其中优先测取集射极饱和压降、芯片压降、底板压降、端子压降和键丝压降)的压降值，进而通过差值计算法，得到焊点压降，进而得到各部分压降值。

本发明基于IGBT基本结构、半导体物理和器件可靠性物理学，通过详细分析IGBT封装疲劳失效机理，在研究电气特征量—集射极饱和压降和现象—焊料层空洞率随疲劳老化应力水平和施加时间变化规律的基础之上，通过将理论分析与解析描述相结合，建立了针对IGBT封装疲劳失效的集射极饱和压降与焊料层空洞率健康状态监测方法。采用所建立的集射极饱和压降与焊料层空洞率健康状态监测方法，通过初始状态标定与实时监测，即可对处于不同寿命阶段的IGBT器件健康状态与可靠性进行有效评估。当器件达到失效标准，未最终丧失既定功能时，对器件进行及时更换，确保器件安全可靠运行，避免因IGBT器件故障导致系统空闲浪费或其它不可弥补的重大损失。

附图说明

图1是发明方法流程示意图；

图2是IGBT封装疲劳失效机理逻辑关系图

图3是IGBT封装疲劳特征量逻辑关系图

图4是功率循环前后焊料层空洞率变化量随功率循环寿命的变化规律示意图

图5是IGBT模块等效连接示意图

图6为IGBT模块集射极饱和压降随功率循环寿命变化规律示意图

图7为集射极饱和压降健康状态监测方法仿真结果与实验验证(模块A1)

图8为集射极饱和压降健康状态监测方法仿真结果与实验验证(模块A2)

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。

如图1所示，本发明的操作步骤如下：

A.安装调试完毕后，投入使用之前，在一定条件下测试经检测合格的IGBT器件的集射极饱和压降与焊料层空洞率，分别标记为初始值V_ST和P_ST；

B.IGBT器件投入使用后，随着IGBT不断开关工作，在电热应力作用下，产生疲劳老化，集射极饱和压降与焊料层空洞率逐渐增大，定期测试IGBT器件的集射极饱和压降并记录测量值V_CE(sat)，定期测试IGBT器件的焊料层空洞率并记录测量值P_void；

C.将测量值V_CE(sat)与初始值V_ST、测量值P_void与初始值P_ST进行比较，根据比较结果判断IGBT器件的集射极饱和压降与焊料层空洞率是否达到失效标准，所述失效标准为集射极饱和压降的测量值为初始值的1.05倍，焊料层空洞率的测量值的20倍；

D.当集射极饱和压降与焊料层空洞率未达到IGBT器件失效标准时，将步骤B中获得的测试值带入下列集射极饱和压降与焊料层空洞健康状态监测方法仿真模型中，该模型参数通过IGBT使用手册和参数提取方法获取。

P_void＝a·N_f+b(1)

V_CE(sat)＝n·exp(m·N_f)+c·N_f+d(2)

T_f＝N_f·T(3)

其中，N_f为功率循环次数，T为IGBT设定的功率循环周期，T_f为IGBT已使用的时间，a为与应力水平相关的系数，b为焊料层空洞率初始值，n、m和c为与应力水平相关的系数，d为集射极饱和压降初始值；

将上式计算出IGBT器件的已使用的时间与IGBT设定的使用寿命进行比较，判断产品的疲劳老化进程和剩余寿命，实现IGBT健康状态监测；

E.当集电极漏电流达到IGBT器件失效标准时，判定为器件失效并对IGBT器件进行更换，并重复上述步骤。

IGBT模块处于周期性开通关断工作时，产生损耗，使IGBT结温周期性波动。由于IGBT模块为多层结构，各层材料不同，热膨胀系数不同，因此，随着温度不断波动，产生热应力作用于IGBT各层材料。随着IGBT模块开关工作时间的不断累积，封装疲劳老化程度不断加剧，相关特征量发生变异，IGBT模块封装疲劳特征量变化逻辑关系，如图2所示。通过图2可以看出，在温度应力作用下，IGBT模块焊料层、键丝、键丝与芯片焊接处产生疲劳。进而，焊料层空洞率、集射极饱和压降特征量发生变异，通过这些特征量偏离初始值的程度即可对IGBT模块的健康状态和可靠性进行有效评估。

IGBT模块为多层结构，各层材料通过焊料焊接。IGBT模块芯片与上铜层之间、下铜层与底板之间均通过焊料焊接，各层材料热膨胀系数不同。IGBT正常开关工作时，产生开关损耗和导通损耗，使IGBT芯片结温随其开通关断过程周期性波动，在该温度梯度下，由于各层材料热膨胀系数不同，不同材料之间会产生压缩应力和扩张应力，使各层之间的焊料层不断发生疲劳老化，产生空洞或裂纹，空洞率水平增大，变化规律如式1所示。

P_void＝a·N_f+b(1)

式中，N_f为功率循环次数，a为与应力水平相关的系数，b为焊料层空洞率初始值。

焊料层空洞是IGBT模块封装疲劳老化的重要标志，而空洞率是衡量焊料层空洞水平的重要指标。以温度波动范围100℃开展功率循环疲劳老化实验，采用X-Ray检测系统对功率循环前后，IGBT模块焊料层空洞率进行观测。通过图4可以看出，某一应力水平下，功率循环疲劳老化后，模块焊料层空洞率水平提高，并且随着功率循环次数的增多，焊料层空洞率变化量呈线性规律增大。

通过研究IGBT模块空洞率与功率循环寿命之间的关系，得出随着IGBT模块不断疲劳老化，焊料层空洞率水平不断提高。与此同时，IGBT模块封装的其它部位也在不断发生疲劳老化，如图3所示，主要包括键丝、键丝与芯片焊接处(简称焊点)等，这些部位是IGBT导通电流流经的重要路径。随着IGBT模块不断开关工作，经受电热应力的连续冲击，模块发生疲劳，键丝、焊点等部位等效电阻增大，进而各部位压降值增大。通过这些压降值的变化情况，即可对IGBT模块的疲劳老化进程进行有效评估。

IGBT集射极饱和压降V_CE(sat)由5部分组成，分别为端子压降V_{cu_p}、底板压降V_{cu_m}、键丝压降V_wire、焊点压降V_{die_att}和芯片压降V_chip，其中，底板压降为端子末端至芯片集电极侧底板电流通路产生的压降。研究各部分压降值随疲劳老化进程的变化规律，对清楚掌握IGBT模块封装疲劳机理至关重要。但各部分压降值不易直接获取，因此，采用差值测量法，对IGBT模块功率循环过程中，封装疲劳引起的各部分压降值变化情况进行测量。差值测量法，即优先测取较易测量部分的压降值，进而通过差值计算法，得到各部分压降值。IGBT模块内部等效连接示意图，如图5所示。

通过研究IGBT模块集射极饱和压降5个组成部分压降值随模块疲劳老化进程的变化规律，得出芯片压降占总压降的90％左右，为重要组成部分；而键丝和焊点的压降变化为IGBT疲劳压降变化主要原因，芯片压降变化对总压降变化贡献较小，端子和底板压降变化约占总变化量的1％，可以忽略不计，认为端子和底板在IGBT寿命周期内，基本不发生疲劳。通过对功率循环IGBT模块疲劳老化机理与实验数据分析得出，键丝和芯片压降变化过程分为两个阶段，第一阶段为缓慢增大，第二阶段为快速增大；而焊点压降变化近似符合线性变化规律，逐渐增大。因此，其总压降(IGBT集射极饱和压降)随功率循环寿命变化规律分为前期缓慢增大和后期快速增大两个阶段，如图6所示。集射极饱和压降变化规律，如式2所示。

V_CE(sat)＝n·exp(m·N_f)+c·N_f+d(2)

式中，N_f为功率循环次数，n、m和c为与应力水平相关的系数，d为集射极饱和压降初始值。

如图7、8所示，在某一应力水平下，不同模块集射极饱和压降健康状态监测方法实验验证。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (5)

1.一种基于集射极饱和压降与焊料层空洞率的IGBT健康状态监测方法，其特征在于包括下列步骤：

A.安装调试完毕后，投入使用之前，在一定条件下测试经检测合格的IGBT器件的集射极饱和压降与焊料层空洞率，分别标记为初始值V_ST和P_ST；

B.IGBT器件投入使用后，定期测试IGBT器件的集射极饱和压降并记录测量值V_CE(sat)，定期测试IGBT器件的焊料层空洞率并记录测量值P_void；

C.将测量值V_CE(sat)与初始值V_ST、测量值P_void与初始值P_ST进行比较，根据比较结果判断IGBT器件的集射极饱和压降与焊料层空洞率是否达到失效标准；

D.当集射极饱和压降与焊料层空洞率未达到IGBT器件失效标准时，将步骤b中获得的测试值带入集射极饱和压降与焊料层空洞健康状态监测方法仿真模型中，该模型参数通过IGBT使用手册和参数提取方法获取，进而计算出IGBT器件的疲劳老化进程与剩余寿命，实现IGBT健康状态监测；

E.当集电极漏电流达到IGBT器件失效标准时，判定为器件失效并对IGBT器件进行更换，并重复上述步骤。

2.根据权利要求1所述的基于集射极饱和压降与焊料层空洞率的IGBT健康状态监测方法，其特征在于步骤D中IGBT器件的集射极饱和压降V_CE(sat)和IGBT器件的焊料层空洞率P_void仿真模型如下式：

P_void＝a·N_f+b(1)

V_CE(sat)＝n·exp(m·N_f)+c·N_f+d(2)

T_f＝N_f·T(3)

其中，N_f为功率循环次数，T为IGBT设定的功率循环周期，T_f为IGBT已使用的时间，a为与应力水平相关的系数，b为焊料层空洞率初始值，n、m和c为与应力水平相关的系数，d为集射极饱和压降初始值。

3.根据权利要求2所述的基于集射极饱和压降与焊料层空洞率的IGBT健康状态监测方法，其特征在于步骤C中提到的IGBT器件失效标准依据器件失效国际标准IEC47E/114/CDV和IGBT行业通用失效标准，当V_CE(sat)＝1.05·V_ST或P_void＝1.05·P_ST时，判定为IGBT失效。

4.根据权利要求3所述的基于集射极饱和压降与焊料层空洞率的IGBT健康状态监测方法，其特征在于步骤D通过比较由模型计算出的已使用时间T_f和产品设定的使用寿命，判断产品的疲劳老化进程和剩余寿命。

5.根据权利要求4所述的基于集射极饱和压降与焊料层空洞率的IGBT健康状态监测方法，其特征在于IGBT集射极饱和压降V_CE(sat)由5部分组成，分别为端子压降V_{cu_p}、底板压降V_{cu_m}、键丝压降V_wire、焊点压降V_{die_att}和芯片压降V_chip，步骤B中各部分压降值变化情况通过测量与计算获取，其中优先测取集射极饱和压降、芯片压降、底板压降、端子压降和键丝压降的压降值，进而通过差值计算法，得到焊点压降，进而得到各部分压降值。