工程用IGBT模块可靠性预计模型探讨

于迪，史典阳，任艳，余昭杰

（工业和信息化部电子第五研究所，广东 广州 510610）

工程用IGBT模块可靠性预计模型探讨

于迪，史典阳，任艳，余昭杰

（工业和信息化部电子第五研究所，广东 广州 510610）

阐述了IGBT模块常见的失效模式、失效机理，并介绍了国外目前较为主流的可靠性预计模型，结合IGBT模块主要的失效模式和当前国产IGBT模块芯片外购、自主封装的生产现状，提出了表征较为全面的工程用国产IGBT模块的可靠性预计模型的方法，为当前国产IGBT模块的使用可靠性的评估提供了有效的支撑。

绝缘栅双极晶体管；模块；可靠性预计；模型

0 引言

绝缘栅双极晶体管（IGBT：Insulated Gate Bipolar Transistor）是一种新型功率电子器件，由金属-氧化物-半导体-场效晶体管 （MOSFET：Motal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）和双极型晶体管复合而成，其输入极为MOSFET，输出极为双极型晶体管。因此，IGBT兼具有MOSFET和双极型功率器件的优点，即IGBT既具有MOSFET的输入阻抗高、控制电路简单等优点，又具有双极型晶体管的载流密度大、饱和电压低等优点。当前，IGBT模块已经成为了电力电子领域中理想的开关器件，在新能源发现、机车牵引和高压输电等诸多关键领域得到了广泛的应用。

由于其优良的综合性能，自问世以来，IGBT模块就受到了世界许多半导体厂家和研究者的广泛关注，得到了迅速的发展。但是，到目前为止，IGBT的核心技术和产业一直都掌握在大多数欧美半导体厂商手中，其中比较有代表性的厂商有三菱和英飞凌等。与国外相比，目前国内的IGBT的制造能力还比较薄弱，国内厂商多采用芯片外购、自主封装的生产模式，芯片尚未真正地实现国产化。此外，对于IGBT模块，目前国内也尚无标准通用的可靠性评估模型，因而难以对IGBT模块的使用可靠性进行有效地评估。因此，本文对工程用IGBT模块的可靠性预计模型进行了探讨，以期为当前国产IGBT模块的使用可靠性的评估提供一定的支撑。

1 IGBT模块的失效模式与失效机理

IGBT模块的失效模式主要分为封装失效和芯片失效两种。由于IGBT模块为多层结构，不同材料之间的热膨胀系数之间存在不匹配性，因此在长期热循环冲击的作用下，IGBT模块的材料容易出现疲劳和老化，从而造成IGBT模块失效。根据国内外的研究及国内生产单位的反馈得知，IGBT模块的封装失效是制约其具有高可靠性的主要因素，封装失效最主要的失效模式为引线脱落与焊接层疲劳。引线脱落后，电流重新均流会加速其他引线相继脱落，最终导致模块故障；而焊接层疲劳会使焊接层产生裂纹并逐渐地扩散，裂纹的产生会减小焊接的有效接触面积，引起模块内部热阻增加，最终使芯片由于过热而被烧毁。

正常使用条件下，IGBT模块的芯片的失效率相对较低，引起芯片失效的原因主要包括电气过应力、静电荷放电、擎住效应和电荷效应等。IGBT模块常见的失效信息如表1所示。

表1 IGBT模块常见的失效信息

2 IGBT模块的可靠性预计模型

电子元器件的可靠性预计是保障设备装备的使用可靠性的重要技术手段。目前，针对IGBT模块的可靠性，国内尚无成熟的预计模型，而国外各主流的预计标准中也仅有法国的FIDES《电子系统可靠性方法》中有涉及到IGBT模块的失效率的预计模型，此外，针对其主要的失效模式——热循环导致的封装失效，不同的研究人员也提出了不同的失效预计模型。

2.1 FIDES中的可靠性预计模型

FIDES中的可靠性预计模型中，考虑了温度、热循环和振动等因素对工作状态下的IGBT模块的可靠性的影响，各因素表征如下。

式 （1）中：Tj——器件结温。

式 （2）-（3）中：Nannual——热循环次数/年；

tannual——该阶段持续时间/年 （对应特定的ΔT）；

ΔTcycling——热循环中温度变化幅度；

式 （4）中：GRMS——振动量级均方根。

FIDES中完整的可靠性预计模型为：

式 （5）中：λPhysical——失效物理层面引入的失效率；

πPM——部件制造过程因子；

πProcess——产品制造过程因子。

前面提及的各种影响因素都是在物理层面加以考虑的，在忽略过应力影响的前提下，物理失效率可以表示为：

式 （6）中：（tannual）i——第i个工作阶段的持续时间；

8 760——在对IGBT模块的失效率进行预算时，以一年为时间单位对其进行任务周期考量及工作阶段的划分；

λ0——不同应力对应的基本失效率，其取值在FIDES中已经给出。

其他物理量所代表的意义与式 （1）-（5）中所代表的意义相同。

由于FIDES中引入了任务剖面，因而可以先将一个任务周期按环境或应力条件划分为不同的工作阶段，然后分别计算出每一个阶段的失效率，最后对各阶段的失效率求和即可得到IGBT模块折总失效率。

2.2 IGBT模块热循环的失效预计模型

虽然FIDES模型中对应力的考虑较为全面，但是，在实际的使用过程中，由于涉到的应力定量表征较多，因此操作会比较复杂。此外，从目前的工程使用经验来看，除了产品设计、操作和使用不当等因素外，IGBT模块主要的失效模式为由热循环诱发的封装失效，在此种情况下，可以有针对性地对IGBT模块的热循环封装失效进行预计，从而大致地评估IGBT模块的可靠性水平。目前，IGBT模块由热循环诱发的封装失效的预计模型主要有3种。

式 （7）中：Nf——IGBT模块失效所需经历的热循环次数；

a——常数；

ΔTj——结温温度变化范围；

Tm——结温平均温度。

虽然该模型较为简单，但其涵盖了两种热循环中对IGBT模块的可靠性影响最大的两种应力，前述FIDES模型中即采用了该种架构，但是，与此处的模型相比，上述FIDES模型有两点不同，即：1）上述FIDES模块中的温度并非结温，而是壳温或焊点温度；2）上述FIDFS模型中，温度并未采用平均温度而采用了最大温度。理论上采用壳温或焊点温度更贴合实际，但在操作的过程中该温度的获取较为困难，故在相当一部分文献中都采用结温代替壳温及焊点温度[1-2]。该模型较有代表性的研究成果是90年代瑞士开展的LESIT项目[3]，该项目测试了来自欧洲和日本不同厂家生产的IGBT模块，测量了在不同的ΔT和平均温度Tm下功率循环试验中模块失效前所经历的热循环次数，试验结果如图1所示，该试验结果验证了Coffin-Manson模型在描述热循环对IGBT模块的寿命的影响的准确性。

图1 LESIT项目试验结果[3]

该模型是Bayerer等人在Coffin-Manson模型的基础上提出来的[4]。该模型认为除温度、温变外，温升时间、键合线电流的大小、键合线直径和击穿电压都会对IGBT模块的寿命产生影响，该模型涉及的参数较多，由于不同的应力之间并非完全相互独立 （例如：键合线电流的大小对器件温度及温变都存在影响），参数的获取比较困难，因而，该模型在实际工程中应用时的使用难度较大。

c）热循环失效物理模型

美国国家标准ANSI/VITA 51.2中提供了完全基于失效物理的IGBT模块的热循环失效模型，该模型基于多层材料热失配并涵盖了焊点和键合的失效，虽并非是专门针对IGBT模块的热循环封装失效的预计而提出的，但该模型架构具有一定的通用性，可表征如下：

式 （9）中：△γ——拐角焊点周期内剪切应力变化幅度；

εf——疲劳延性系数；

c——疲劳延性指数。

以焊点失效为例，对共晶焊料而言有：

式 （10）中：Tsj——循环周期内焊点平均温度。对于共晶焊料 （63/37，60/40）有引脚互联：

而对共晶焊料无引脚互联：

式 （11）-（12）中：F——经验修正因子；

h——焊点表观高度；

KD——基于Kotlowitz方程的自由组件引脚的弯曲刚度

ΔTS、ΔTC——板和组件各自的温变值。

对无铅焊料有：

式 （13）中：C——经验修正因子，C=0.5；

LD——1/2组件长度；

hs——焊点高度；

△α△T——组件与沉底之间的热膨胀差。

比较可以发现，与传统的、基于数理统计的可靠性预计模型相比，基于失效物理的可靠性预计模型更为复杂、涉及的参数更多且各参数的获取更加困难，在工程中的可操作较差；此外，由于焊点与焊层之间存在差异，因而在应用该模型时还需要对

其进行适当的修改。

3 建立工程用IGBT模块的可靠性预计模型

考虑到工程的实用性，预计模型可适当地简洁，同时又必须对失效模式有较为全面的涵盖。此外，结合我国当前IGBT行业芯片外购、自主封装的产业模式，并借鉴IEC 62380可靠性数据手册，在IGBT模块寿命服从指数分布且封装失效与芯片失效相互独立的前提下，模块的可靠度可以表示为：

模块失效率由芯片失效率和封装失效率两部分组成，即则模块的失效率为：

芯片失效率可以表示为：

式 （16）中：λ0——芯片基本失效率，可由芯片制造公司提供；

πT——温度系数。

采用阿乌尼斯方程，表征温度对芯片失效的影响，其核心参数为激活能，参考取值为0.7 eV。

封装失效率主要考虑热循环诱发的失效，从实用性角度出发可采用CoffinManson模型：

该模型中需要明确的参数有常数a、指数n和激活能Ea（LESIT中给出的各参数的值分别为：a=640，α=-5，Ea≈0.8 eV）；此外还需要明确器件的工作温度，包括结温的温度变化值和平均温度（亦有模型采用热循环最高温度值）。

结合模块的实际工作情况来设定单位任务时间，统计单位任务时间内不同的温度变化范围ΔT所对应的循环数及平均温度 （或最高温度），并利用Coffin-Manson模型计算出各自对应的Nf值；利用线性疲劳损伤累积模型计算该单位任务时间内热循环对模型造成的损伤程度：

则可认为模块的平均无故障寿命为：

式 （19）中：T0——单位任务时长。则封装失效率可以表示为：

4 模型使用时应注意的问题

在使用IGBT模块的可靠性预计模型的过程中，需要注意以下几个方面的问题。

a）对于模型中参数 （a、n和Ea）的取值，目前国内尚无通用值，LESIT给出的参数值由于年代相对久远 （20世纪90年代）可能并不适合用于当前国内的IGBT模块的可靠性预计模型中，因此需要配合相应的寿命加速试验来完成模型中相关参数值的设定。

b）模型中ΔT的值可以通过仿真手段来获取，例如：可通过搭建IGBT模块的Foster热网络的方法对ΔT进行简单的估计[5]。另外一些国外公司针对自己的产品开发了热仿真工具 （例如：英飞凌的IPOSIM），可简单、快速地获取器件内部的温度波动情况。

c）实际上，不同的生产工艺和材料对IGBT模块的可靠性的影响的差异是通过参数 （a、n和Ea）的取值的不同来体现的，因此，尽管试验中给出的封装失效率模型具有一定的通用性，但盲目地套用未经验证的参数值往往会对IGBT模块的可靠性评估的结果带来较大的误差。Ralf Schmidt等人的研究[6]表明，由不同材料制成的IGBT模块的键合线脱落与焊接疲劳对温度的敏感性，即Ea是不同的 （本质上是由焊接和键合线材料的差异造成的），因而采用相同的参数值对具有不同的失效模式分布的IGBT模块的可靠性进行评估并不十分合理。为了提高可靠性评估的准确性，一方面，可以根据自身产品的寿命加速或现场使用数据来获取适合自身产品可靠性评估的参数值；另一方面，在套用其他机构提供的参数值时，应对IGBT模块的工艺、材料和失效模式分布等信息进行比对，以保证参数的适应性。

5 结束语

本文介绍并比较了目前国外预计标准及相关文献中应用的较多的IGBT模块的可靠性预计模型，并基于其失效模式和国内IGBT模块的生产模式，在假设产品的寿命服从指数分布的前提下，提出了工程用IGBT模块的封装失效和芯片失效的可靠性预计模型，其中封装失效部分采用了经典的Coffin-Manson模型，考虑了温度和温度循环对封装失效的影响，芯片失效部分采用了基本失效率乘以温度系数的表征方式，并指出了模型在使用中需要注意的问题，为当前国产IGBT模块的使用可靠性的评估提供了有效的支撑。

[1]刘宾礼，刘德志，唐勇，等.基于加速寿命试验的IGBT模块寿命预测和失效分析 [J].江苏大学学报，2013，34（5）：556-563.

[2]SCHEUERMANN U，HECHT U.Power cycling lifetime of advanced power modules for different temperature swings [C]//PCIM Nrnberg.2002：59-64.

[3]HELD M，JACOB P，NICOLETTIG，et al.Fast power cycling test for IGBTmodules in traction application[C]// Proc.Power Electronics and Drive Systems.1997：425-430.

[4]BAYERER R，HERMANN T，LICHT T，etal.Model for power cycling lifetime of IGBT modules various factors influencing lifetime[C]//Proc.of the 5th International Conference on Integrated Power Electronics Systems（CIPS），Nuremberg，Germany，2008.

[5]徐铭伟，周雒维.三相逆变器中绝缘栅双极型晶体管模块结温仿真评估 [J].重庆大学学报，2014，37（2）：37-45.

[6]RALF Schmidt，FELIX Zeyss，UWE Scheuermann.Impact of absolute junction temperature on power cycling lifetime [C]//Power Electronics and Applications（EPE）， 2013 15th Europen Conference.2013.

奇葩纸质无人机 支持谷歌眼镜虚拟现实操控

无人机已经拥有丰富的产品形态，除了DJI等专业机型外，还包括太阳能无人机、水上无人机，以及抛下空中追踪用户并拍照的机型。现在，我们又看到了一些基于虚拟现实应用的无人机，例如：以色列公司PowerUp FPV推出的Paper Airplane。

Paper Airplane采用蓝牙连接，内置双电机和小型电池，操作范围约为92 m，续航力为10 min。其最大的特色是支持谷歌纸板眼镜，用户可通过虚拟现实应用对其进行操作，这是一个很有趣的功能。

（摘自腾讯科技）

Reliability Prediction M odel of Engineering IGBT M odule

YU Di，SHIDian-yang，REN Yan，YU Zhao-jie
（CEPREI，Guangzhou 510610，China）

Firstly，the common failuremodes and failuremechanisms of IGBTmodule aswell as several foreign mainstream reliability prediction modles are introduced.Then，combining with the main failuremode and the present production condition of domectic IGBTmodule that all the chips used in IGBTmodule are purchased from abroad and the package process is finished at home，a more com prehensive reliability prediction m odel aim ing at the engineering-oriented IGBT m odu le is p roposed， which provides an useful support for the evaluation of the operational reliability of the domestic IGBTmodule.

IGBT；module；reliability prediction；model

TN 386.1；TB 114.3

：A

：1672-5468（2015）05-0006-05

10.3969/j.issn.1672-5468.2015.05.002

2015-04-16

2015-09-21

于迪 （1988-），男，山东威海人，工业和信息化部电子第五研究所数据中心工程师，从事电子元器件质量可靠性研究工作。