CN108445371B - 绝缘栅双极型晶体管使用寿命预分拣方法 - Google Patents

Abstract

绝缘栅双极型晶体管使用寿命预分拣方法，涉及一种晶体管的检测方法。本发明包括步骤：A：根据IGBT穿越特性，查找得到不同温度下，穿越特性曲线的交点，将该点对应的驱动电压定义为穿越点门极电压V_Cross；B：针对所测批次的IGBT产品，选取样品以V_Cross为驱动电压，进行IGBT加速老化试验测试，利用短路测试电路记录模块测试过程中的短路电流，根据测试结果确定IGBT短路电流与加速循环次数的函数关系式，并记录键合线全部断裂时所对应的加速循环次数；C：对待测IGBT模块进行循环次数为N_s的加速老化试验，完成测试后，利用所建立的IGBT短路电流与加速循环次数的函数关系式计算模块剩余寿命，按照剩余寿命的具体要求完成模块的筛选。达到少量样品推算IGBT剩余寿命的目的。

Description

绝缘栅双极型晶体管使用寿命预分拣方法

技术领域

本发明涉及一种晶体管的检测方法，尤其涉及绝缘栅双极型晶体管使用寿命预分拣方法。

背景技术

功率半导体器件是现代电力电子变换装置的核心组成部分。随着大功率电力电子技术的不断发展，现代工业对半导体器件的性能要求与日俱增。绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点，同时具有电压控制功耗低，控制电路简单，耐高压，承受电流大等特性，被广泛应用于大功率电力电子设备中。

在IGBT工业应用中，由于其工作在开关状态，因此其使用寿命低于电感电容等无源器件。而IGBT也成为制约电力电子装置寿命的瓶颈。IGBT内部结温受功率波动影响而导致其内部存在热循环。该热循环进一步转化为IGBT材料的热应力，造成的IGBT键合线脱落是目前IGBT失效的最主要表现形式。

为确保系统的可靠运行，提高系统可靠性，国内外学者对IGBT的寿命预测与可靠性监测展开研究。当前对IGBT的寿命预测方法为两类。第一类为基于器件失效率的概率模型，这类模型是对器件长期以来的失效率进行统计所形成的；第二类是基于加速老化试验的寿命模型，这类模型是通过对IGBT模块实施加速老化试验，通过对实验数据分析推导得到IGBT的寿命，充分考虑了功率MOSFET在实际工况中因温度波动产生热应力导致的热疲劳失效。

然而，第一类研究方法所建立的寿命模型，但没有涉及功率IGBT的具体失效机理，以及没有考虑在实际工况中器件内部的温度波动所导致热疲劳失效。另一方面，该类方法均基于同一型号的IGBT模块参数，并不能实现单个模块的寿命预测。第二类方法，即加速老化试验，虽能较准确的得到IGBT的完整寿命，但经过加速老化试验的模块已经报废，不能继续用于实际应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题和提出的技术任务是对现有技术方案进行完善与改进，提供绝缘栅双极型晶体管使用寿命预分拣方法，以达到少量样品推算IGBT剩余寿命的目的。为此，本发明采取以下技术方案。

绝缘栅双极型晶体管使用寿命预分拣方法，包括如下步骤：

1)获取IGBT的传递特性，得到不同温度下短路电流与门极电压的交点，将此交点处的门极电压定义为穿越点门极电压V_Cross；

2)对同批次少数IGBT样品进行加速老化试验，建立IGBT短路电流与加速老化试验循环次数的函数关系式，同时记录键合线全部断裂时的对应的实验循环次数；

步骤2)具体为：

21)将n块已检测无键合线断裂的IGBT模块样品置于加速老化试验平台，对每个模块进行N_t次加速老化试验；

22)利用短路电流测试电路测试此n块IGBT模块样品在驱动电压V_Cross下的短路电流值；

23)记录此n块IGBT模块样品的加速老化循环数、短路电流值以及键合线根数；

24)若此时模块失效，则根据所有试验结果拟合出IGBT短路电流与加速老化循环数的函数关系式，给出置信区间，同时记录失效点所对应的加速老化循环数，给出置信区间；若此时模块未失效，则转至步骤21)；

3)对待测IGBT样品进行弱应力加速老化试验，通过已建立IGBT短路电流与加速老化试验循环次数的函数关系式，计算出IGBT模块的剩余寿命。

步骤3)具体为：

31)将待测IGBT模块样品置于加速老化试验平台，对每个模块进行N_s次加速老化试验；

32)查找IGBT短路电流与加速老化循环数关系式，计算测试模块的最小剩余加速老化循环数；

33)利用雨点计数法将最小剩余加速老化循环数转化为剩余寿命；

34)根据计算获得的剩余寿命，判断是否满足设计要求，完成IGBT模块的筛选。

本技术方案通过测试少量IGBT样品，建立了IGBT短路电流与加速老化循环数的关系式；在此基础上，对待测IGBT进行弱应力下的加速老化试验，即较少的温度循环数的IGBT加速老化试验；通过测试试验后的IGBT短路电流，利用IGBT短路电流与加速老化循环数的关系式推算出所测IGBT的剩余寿命。

作为对上述技术方案的进一步完善和补充，本发明还包括以下附加技术特征。

进一步的，根据步骤1)获得的穿越点门极电压V_Cross，确定不受温度影响的IGBT模块驱动电压。

进一步的，在步骤24)中，记录各模块失效时的加速老化循环数N_{total_1}，N_{total_2}，···，N_{total_n}；针对各模块失效点的加速老化循环数数据，利用下式求解出失效加速老化循环数均值

与对应的置信区间

其中t_α/2为置信度为α的t分布值，S_Ntotal为样本标准差；则由加速老化循环数均值与对应的置信区间，得到置信度为α的总加速循环老化最低循环数为：

Nf_min＝α_min

从而建立IGBT总加速老化最低循环数。

进一步的，在步骤24)中，根据所有试验结果拟合出IGBT短路电流与加速老化循环数的函数关系式I_SC＝f(N_f)，给出置信区间，对每个测试点计算对应的样本均值与置信区间，其中第k个测试点所对应的均值与置信区间的计算式为：

在绘制的IGBT短路电流与加速老化试验循环次数的函数关系式基础上，以β_max曲线作为已老化循环数的最大值，从而建立IGBT最大老化循环数。

进一步的，在步骤33)中，利用雨点计数法将最小剩余加速老化循环数转化为剩余寿命，其转换公式为：

其中N_c为循环次数，N_fn为第n次循环的疲劳循环数。

本发明首先通过测试少量IGBT样品，建立了IGBT短路电流与加速老化循环数的函数关系式；在此基础上，对待测IGBT进行较少的温度循环数的IGBT加速老化试验；通过测试试验后的IGBT短路电流，利用IGBT短路电流与加速老化循环数的关系式推算出所测IGBT的剩余加速老化循环数，并利用雨流计数法将剩余循环数转化为寿命，实现IGBT模块的寿命预测。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、能在IGBT模块使用前，在不影响其正常使用的情况下，通过弱应力的加速老化试验，对IGBT进行寿命的预测与评估，避免了实际使用中由部分模块老化引起整体系统的不可靠问题；

2、利用IGBT的转移特性，回避了试验过程中温度变化引入的测量误差，提高了寿命预测的精度。

附图说明

图1为本发明流程示意图；

图2为本发明IGBT在25℃与125℃下的的传输特性；

图3为本发明短路电流测试电路；

图4为抽样样品在不同加速老化循环数下对应的短路电流曲线与其置信区间曲线；

图5为检测模块加速老化循环数与对应的短路电流分布图。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

如图1所示，本发明包括如下步骤：

S1：通过IGBT手册中的传输特性，查找得到不同温度下短路电流与门极电压的交点，将此交点处的门极电压定义为穿越点门极电压V_Cross。

图2为德国某IGBT厂家IGBT数据手册中IGBT在25℃与125℃下的的传输特性。由图中可知在驱动电压为9.2V时，两种温度下的传输特性有交点，故该型号IGBT的穿越点门极电压V_Cross为9.2V。

S2：对同批次少数IGBT样品进行加速老化试验，建立IGBT短路电流与加速老化试验循环次数的函数关系式，同时记录键合线全部断裂时的对应的实验循环次数，，所述步骤S2具体为：

S21：将n块已检测无键合线断裂的IGBT模块样品置于加速老化试验平台，对每个模块进行N_t次加速老化试验。则N_t为步骤B建立短路电流与加速老化试验循环次数的函数关系式的测试步长。因此N_t的值越小，模块n的数量越多，试验所得的函数关系式精度越高。

S22：对模块完成加速老化试验后，利用短路电流测试电路测试此n块IGBT模块样品在驱动电压V_Cross下的短路电流值。短路电流测试电路如图3所示，电路A为IGBT的驱动电路，电路B为测量IGBT短路电流的测量电路。

S23：记录此n块IGBT模块样品的加速老化循环数N_fn＝kN_t，同时记录每个模块的短路电流值I_{SC_k1}，I_{SC_k2}，···，I_{SC_kn}，以及键合线根数n_k1，n_k2，···，n_kn；

S24：重复步骤S21至S23直至模块失效，记录各模块失效时的加速老化循环数N_{total_1}，N_{total_2}，···，N_{total_n}。针对各模块失效点的加速老化循环数数据，利用下式求解出失效加速老化循环数均值

与对应的置信区间

其中t_α/2为置信度为α的t分布值，S_Ntotal为样本标准差。则由加速老化循环数均值与对应的置信区间可得到置信度为α的总加速循环老化最低循环数为

N_{f min}＝α_min (4)

根据所有试验结果拟合出IGBT短路电流与加速老化循环数的函数关系式I_SC＝f(N_f)，给出置信区间，即对每个测试点按照下式计算对应的样本均值与置信区间。下式为第k个测试点所对应的均值与置信区间的计算式

在绘制的IGBT短路电流与加速老化试验循环次数的函数关系式基础上，以β_max曲线做为已老化循环数的最大值，并将其曲线作为步骤S3的参考。

S3：对待测IGBT样品进行弱应力加速老化试验，通过已建立IGBT短路电流与加速老化试验循环次数的函数关系式，计算出IGBT模块的剩余寿命，所述步骤S3具体为：

S31：将待测IGBT模块样品置于加速老化试验平台，对每个模块进行N_s次加速老化试验。为保证模块后续的使用功能，本次加速老化循环数不超过第一根键合线断裂循环数的10％，即N_s<0.1

S32：查找IGBT短路电流与加速老化循环数关系式I_SC＝f(N_f)，计算测试模块的最小剩余加速老化循环数

S33：利用雨点计数法将最小剩余加速老化循环数转化为剩余寿命，其转换公式如下

其中N_c为循环次数，N_fn为第n次循环的疲劳循环数。

S34：根据计算的剩余寿命是否满足设计要求，完成IGBT模块的筛选；

为进一步阐释本发明对IGBT预筛选方法的正确性，利用加速老化试验箱，对某型号IGBT模块进行了加速老化试验。选取了10件IGBT样品进行加速老化试验。同时搭建了图3所示的短路电流测试平台，对各老化的模块进行了短路电流测试。图4绘制了步骤S2中测试点对应的短路电流曲线与其置信区间曲线。同时记录了IGBT平均总循环次数为7000次，第一次键合线断裂循环次数为1860次。

同时选取了同批次某个IGBT模块，对其进行80次加速老化试验，记录此时的短路电流，并计算剩余寿命。进一步对其进行加速老化试验直至其失效，记录下其键合线断裂时刻的加速老化循环数。计算的加速老化剩余循环数与实际剩余循环数如表1所示。各循环数分布如图5所示。由图5可知该模块循环数均在区间分布范围内，进一步验证了方法的正确性与可行性。

表1 模块加速老化试验结果

本发明的绝缘栅双极型晶体管使用寿命预分拣方法还可进一步应用于其他半导体器件的寿命预测与评估。根据其他半导体器件的传输特性选取驱动电压，选取样品进行加速老化试验，对老化模块进行短路电流测试，绘制短路与加速老化循环数的函数关系式。进而以该函数关系式为基础，进行其他半导体器件的加速老化试验，根据计算的剩余加速老化循环数进行寿命预测。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.绝缘栅双极型晶体管使用寿命预分拣方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)获取IGBT的传递特性，得到不同温度下短路电流与门极电压的交点，将此交点处的门极电压定义为穿越点门极电压V_Cross；

2)对同批次少数IGBT样品进行加速老化试验，建立IGBT短路电流与加速老化循环数的函数关系式，同时记录键合线全部断裂时的对应的实验循环次数；

步骤2)具体为：

21)将n块已检测无键合线断裂的IGBT模块样品置于加速老化试验平台，对每个模块进行N_t次加速老化试验；

22)利用短路电流测试电路测试此n块IGBT模块样品在驱动电压下的短路电流值；

23)记录此n块IGBT模块样品的加速老化循环数、短路电流值以及键合线根数；

24)若模块失效，则根据所有试验结果拟合出IGBT短路电流与加速老化循环数的函数关系式，给出置信区间，同时记录失效点所对应的加速老化循环数，给出置信区间；若模块未失效，则转至步骤21)；

3)对待测IGBT样品进行弱应力加速老化试验，通过已建立IGBT短路电流与加速老化循环数的函数关系式，计算出IGBT模块的剩余寿命；

步骤3)具体为：

31)将待测IGBT模块样品置于加速老化试验平台，对每个模块进行N_s次加速老化试验；

32)查找IGBT短路电流与加速老化循环数关系式，计算待测模块的最小剩余加速老化循环数；

33)利用雨点计数法将最小剩余加速老化循环数转化为剩余寿命；

34)根据计算获得的剩余寿命，判断是否满足设计要求，完成IGBT模块的筛选；

根据步骤1)获得的穿越点门极电压V_Cross，确定不受温度影响的IGBT模块驱动电压；

在步骤24)中，记录各模块失效时的加速老化循环数N_{total_1}，N_{total_2}，···，N_{total_n}；针对各模块失效点的加速老化循环数数据，利用下式求解出失效加速老化循环数均值

与对应的置信区间：

其中t_α/2为置信度为α的t分布值，S_Ntotal为样本标准差；则由加速老化循环数均值与对应的置信区间，得到置信度为α的总加速循环老化最低循环数为：N_fmin＝α_min

从而建立IGBT总加速老化最低循环数；

在IGBT模块使用前，在不影响其正常使用的情况下，通过弱应力的加速老化试验，对IGBT进行寿命的预测与评估，避免了实际使用中由部分模块老化引起整体系统的不可靠问题；

利用IGBT的转移特性，回避了试验过程中温度变化引入的测量误差，提高了寿命预测的精度。

2.根据权利要求1所述的绝缘栅双极型晶体管使用寿命预分拣方法，其特征在于：在步骤24)中，根据所有试验结果拟合出IGBT短路电流与加速老化循环数的函数关系式I_SC＝f(N_f)，给出置信区间，对每个测试点计算对应的样本均值与置信区间，其中第k个测试点所对应的加速循环老化均值数

与其对应的置信区间[β_kmin,β_kmax]的计算式为：

在绘制的IGBT短路电流与加速老化循环数的函数关系式基础上，以β_kmax作为已老化循环数的最大值，从而建立IGBT最大老化循环数。

3.根据权利要求1所述的绝缘栅双极型晶体管使用寿命预分拣方法，其特征在于：在步骤33)中，利用雨点计数法将最小剩余加速老化循环数转化为剩余寿命，其转换公式为：

其中N_c为循环次数，N_fn为第n次循环的疲劳循环数。

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