基于IGBT模块热阻的状态评估研究

姚芳　王少杰　李志刚　陈盛华

摘 要： IGBT模块在退化过程中内部材料的物理属性会发生变化，进而引起模块结壳热阻的变化，因此通过研究结壳热阻的变化情况，可以对IGBT模块的退化程度进行评估。首先研究IGBT模块的结构及热扩散特性，并利用定义法计算出初始结壳热阻，指出模块在退化过程中各层封装材料、物理参数及导热面积的变化会导致结壳热阻的变化；然后，对IGBT模块进行了温度循环老化试验，并在老化过程中测量模块的结壳热阻，研究结壳热阻在老化过程中的变化情况，发现其按指数规律退化，进而建立热阻的指数退化模型；最后，提出一种IGBT模块的模糊状态评估方法，建立了基于热阻的模糊状态评估模型，采用均匀划分的方法以IGBT模块的结壳热阻作为评估参数将模块的退化状态分为7个评估等级，并对老化后的某IGBT模块进行了模糊状态评估。

关键词： 热阻状态评估； 模糊理论； 模糊状态评估方法； IGBT模块

中图分类号： TN305.94?34； TN32 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）10?0133?05

Abstract： The physical property of the IGBT module′s internal material may change in its degradation process， and lead to the variation of the junction?to?case thermal resistance of the module. The study on variation of the junction?to?case thermal resistance can evaluate the degradation process of IGBT module. The structure and thermal diffusion characteristics of IGBT module are studied. The definition method is used to calculate the initial junction?to?case thermal resistance. It is pointed out that the variation of the each layer′s encapsulating material physical parameters and heat conduction area in degradation process may cause the change of the module′s junction?to?case thermal resistance. The temperature cycle and aging test were conducted for IGBT module. The junction?to?case thermal resistance of the module is detected in the aging process. The variation situation of the junction?to?case thermal resistance is studied in the aging process to find out its degradation according to index law， so as to establish the index degradation model of the thermal resistance. A fuzzy state assessment method of IGBT module is proposed to establish the fuzzy state assessment module based on thermal resistance. The uniform division method is adopted to divide the module′s degradation state into seven assessment grades by means of taking the junction?to?case thermal resistance of IGBT module as the assessment parameter， and performs the fuzzy state assessment for the aged certain IGBT.

Keywords： thermal resistance state assessment； fuzzy theory； fuzzy state assessment method； IGBT bmodule

0 引 言

IGBT自20世纪80年代诞生以来不断发展，逐步成为新型高频大功率电力半导体器件的代表性器件，以其独特、不可取代的功能，迅速应用到了国民经济中的各行各业，表现出极强的生命力和发展潜力[1]。但开关速度高和电流密度大使其生热功率增大、发热量提高，在工作过程中易由于温度的循环冲击而发生疲劳失效。根据2009年的一项调查研究显示，风电变流器是电力系统在恶劣环境下运行时失效率最高的环节之一[2]，而IGBT是变流器中失效率最高的环节；因此，提高IGBT的可靠性可以提高电力系统的可靠性。目前，一般会在系统停运期间对变流系统进行定期或不定期的检测和维修，以及在系统运行期间对关键电气参数进行实时监测，但是，并不能对部件的健康状况进行评估，也不能诊断器件性能[3]。如果能在常规检修期内对器件的状态进行评估，及时更换状态不好的器件，则可以大大提高电力系统运行的安全性和可靠性，因此研究IGBT的状态评估具有十分重要的科学意义。

本文通过研究IGBT模块的热量传递情况及结壳热阻的计算方法，发现在模块退化过程中，各层封装材料的属性参数会发生变化，进而引起结壳热阻的变化，因此结壳热阻的变化可以反映IGBT模块的退化情况。本文对某型IGBT模块进行了温度循环老化实验，在老化的过程中采集结壳热阻，通过研究热阻在退化过程中的变化建立了热阻退化模型，并建立了基于热阻的模糊状态评估模型。该模型可以根据结壳热阻对IGBT模块的健康状态进行模糊状态评估，工程上对健康状态不好的器件及时更换，提高电力系统运行的可靠性。

1 IGBT模块的结壳热阻

1.1 IGBT模块的结构及热扩散特性分析

IGBT模块采用封装结构，模块内部由IGBT芯片和FWD芯片组成功率电路、衬底层（上铜层、陶瓷层、下铜层和焊料层叠加而成）和铜基板组成。

热传导过程中，若下一层材料的热导率k2大于该层材料热导率k1，则热流仅在该层材料的垂直方向流动，不发生横向扩散；若下一层材料的热导率k2小于该层材料的热导率k1，则热流在该层会有横向扩散，扩散角度θ的大小为：

根据热传导理论，热量应在上铜层、下铜层、铜基板中有明显的横向扩散，而在芯片、陶瓷层、以及上、下焊料层中沿垂直方向传播。三维温度场在垂直方向剖面的温度场如图1所示。

模块芯片上方壳体内灌有绝热硅凝胶，有阻断热传导作用。因此，IGBT模块内的热量主要是由上至下在各层材料之间，以热传导的形式自芯片逐层传递至铜基板。对IGBT模块在恒功率条件下进行有限元仿真，得到热稳态时芯片表面和铜底板的二维温度分布场，如图2所示。A，B分別为芯片和铜底板的最高温度点，二者的三维坐标分别为（0.078 299，0.038 496，0.003）和（0.078 299，0.038 496，0.004 4），说明热流自芯片向铜底板沿垂直材料层面方向（图1箭头所指方向）传导；并且图2中的热量扩散均以IGBT芯片为圆心成圆形，说明热量在平行于材料层的方向上成圆形向四周传导。

1.2 IGBT模块的结壳热阻

模块芯片及封装各层材料的阻热属性由热阻描述，热阻取决于材料层的热导率及有效导热尺寸，定义为：

式中：L为导热体厚度；λ为导热体的热导率；A为导热体垂直于热流方向的横截面。

模块芯片及各层材料的热导率λ、厚度L可通过查阅数据手册得知，由式（1）～式（3）可计算得到有效导热面积A，通过式（4）可计算得到各层材料的热阻，如表1所示。

IGBT模块的结壳热阻Rth反映了IGBT模块封装的散热能力的大小，指IGBT芯片到铜基板间各层材料的热阻之和[4?5]，计算得到模块的总热阻Rth=0.167 7 ℃/W。

由于模块同时具有阻热和储热性质，实验室条件下一般给定功率P，加热模块至热平衡，此时模块不再储热，耗散功率等于加热电功率，结壳热阻可用壳温差Tjc比功率P计算[6?7]。

IGBT模块在退化过程中，其封装材料的各个物理参数及导热面积等都会发生变化，进而引起结壳热阻的改变，因此结壳热阻可以反映IGBT模块的退化情况。

2 IGBT模块结壳热阻退化研究

工况下，IGBT模块受到温度循环冲击的作用，导致各层材料热导率λ改变、有效导热面积甚至厚度发生微小变化，三者共同作用，导致材料层热阻的增加，致使导热性能降低。由于模块多层结构中的焊料层弹性模量较低，易于产生空洞或裂纹，大部分损伤发生在上、下焊料层，因此对模块热特性影响较为关键的是上、下焊料层的性能[8?10]。焊料层的退化使模块总的结壳热阻增大，引起模块总体导热特性的减弱。模块导热特性减弱，会减小模块安全工作区的面积，降低其工作安全性[11?12]。

为了研究IGBT模块结壳热阻与退化程度的关系，对额定1 500 V/75 A的IGBT模块进行温度循环老化。设置集电极电流为50 A，栅极电压为15 V，控制壳温从40 ℃加热至90 ℃，再自然冷却到40 ℃，重复循环过程。在老化实验循环次数为0，1 000，2 000，3 000，4 000，5 000，6 000，7 000时用热敏参数法测量IGBT模块的稳态结壳热阻，热阻变化规律如图3所示。

由图3可知，随着老化的不断进行，模块结壳热阻从最初的0.167 3 ℃/W增加至0.197 4 ℃/W，且热阻的大小随循环次数的增加单调递增，没有往复波动，即热阻的增加可以反映模块的退化程度。因此，可以用模块的结壳热阻作为评估参数，对模块的退化程度进行估测。

将图3所示的热阻随循环次数变化的曲线进行拟合，得到的拟合方程式为：

当认为模块结壳热阻Rth上升到初始值的120%时失效，即当Tr=1.2时，由式（7）可推出在本文所列出的实验条件下IGBT模块的总寿命Nf=ln 1.2，[1Nf]为每次温度循环所消耗的寿命值。

3 基于热阻的状态评估

3.1 模糊状态评估建模

IGBT模块在整个寿命周期内是不断退化的，表现为结壳热阻Rth的不断增加，根据模块的退化状态，与退化后的性能，规定热阻上升20%判定模块失效，基于热阻的模块退化状态研究，旨在研究模块尚未失效阶段热阻的变化趋势，即结壳热阻Rth从Rth?min向120%Rth?min增加的规律。根据模糊评估理论，首先要对热阻Rth进行去量纲和归一化变换。

IGBT模块的结壳热阻以指数形式退化，因此，需将结壳热阻Rth取对数后采用均匀分布模型，建立模糊状态评估模型：

[H（Rth）=lnRth-lnRth-minln120%Rth-min-lnRth-min，Rth>120%Rth-min0， Rth≤120%Rth-min] （8）

式中：H（Rth）为模块的退化特征量；Rth?min为模块的最小结壳热阻，也就是模块未退化时的热阻；120%Rth?min为模块判定失效时的热阻，也就是模块完全退化时的热阻。

3.2 模糊状态评估方法

根据模块退化过程中结壳热阻的大小，通过模糊状态评估模型对模块退化程度进行评估的方法是：由式（8）计算模块的退化特征量，当H（Rth）=0时，表示模块没有退化；当H（Rth）=1时，认为模块失效；当H（Rth）介于0～1之间时，H（Rth）的大小反映模块的退化程度，H（Rth）越大表示退化越严重。通过退化特征量，可以在一定范围内定量地描述模块的退化程度。

为了清晰地表述模块的退化程度，将模块从未退化到完全退化均匀分为7个退化等级区间。这7个区间可依次描述为未退化、较轻微退化、轻微退化、中度退化、较严重退化、严重退化和完全退化。将H（Rth）从0～1平均划分为5个区间，每个区间的跨度均为0.2。根据式（8）可以推算出每个区间临界点的结壳热阻值。退化等级示意图如图4所示。7个退化等级区间划分的临界热阻值如表2所示。

根据表2可以通过模块的结壳热阻直接估测出模块的退化程度。当IGBT模块的结壳热阻Rth满足：Rth=0.167 ℃/W时，模块未退化；0.167 ℃/W0.200 ℃/W时，模块完全退化，认为其已失效。

3.3 基于热阻的状态评估实例

根据以模块结壳热阻作为评估参数的7等级退化评估模型，对温度循环老化实验进行0，1 000，2 000，3 000，4 000，5 000，6 000，7 000次后的模块进行退化等级评估，根据式（8）计算出其退化特征量，通过退化特征量对模块的退化程度进行评估，评估结果如表3所示。

将不同循环次数下的退化特征量进行拟合，并照退化特征量划分退化等级，如图5所示。

在实际的老化过程中，可以根据温度循环次数x，由式（9）计算出模块的退化特征量，进而估测模块的退化程度。

4 结 论

本文首先分析了IGBT模块的结构及热量在模块中的扩散特性，并计算出初始的结壳热阻值；然后，对IGBT模块在集电极电流50 A，壳温40～90 ℃的条件下进行温度循环老化实验，得到了结壳热阻随温度循环次数的变化曲线，发现其按指数规律退化，建立了结壳热阻的指数退化模型，并计算了在本文的循环条件下IGBT模块的总寿命以及每一次温度循环所消耗的寿命；最后，建立了基于结壳热阻的模糊状态评估模型，采取均匀划分的方法，将退化特征量划分为7个退化等级，并对温度循环老化后的IGBT模块进行了模糊状态评估。在加大实验量的前提下，可以建立普适性的状态评估模型，则本文所介绍的评估方法可以在获取结壳热阻后快速地对IGBT模块进行状态评估，对提高电力系统运行的安全性有指导性的意义。

注：本文通讯作者为王少杰。

参考文献

[1] 王兆安，黄俊.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2000：29?32.

[2] YANG S， BRYANT A T， MAWBY P A， et al. An industry?based survey of reliability in power electronic converters [J]. IEEE transaction on industry applications， 2011， 47（3）： 1441?1451.

[3] SIKORSKA J Z， HODKIEWICZ M， MA L. Prognostic modeling options for remaining useful life estimation by industry [J]. Mechanical systems and signal processing， 2011， 25（5）： 378?382.

[4] 魏克新，杜明星.基于集总参数法的IGBT模块温度预测模型[J].电工技术学报，2011，26（12）：79?84.

[5] 徐盛友.功率模块IGBT状态监测及可靠性评估方法研究[D].重庆：重庆大学，2013.

[6] 陈明，胡安，唐勇，等.IGBT结温及温度场分布探测研究[J].电力电子技术，2011，45（7）：130?132.

[7] 陈明，汪波，唐勇.IGBT动态热阻抗曲线提取实验研究[J].电力电子技术，2010，44（9）：101?103.

[8] 翟超，郭清，盛况.IGBT模块封装热应力研究[J].机电工程，2013，30（9）：1153?1158.

[9] 陈明.高温功率循环下绝缘栅双极性晶体管失效特征及机理分析[J].西安交通大学学报，2014，48（4）：119?126.

[10] LU H， BAILEY C. Lifetime prediction of an IGBT power electronics module under cyclic temperature loading conditions [C]// Proceedings of 2009 IEEE International Conference on Electronic Packaging Technology and High Density Packaging. Piscataway， USA： IEEE， 2009： 274?279.

[11] 张健，张小玲，吕长志，等.IGBT焊料层中的空洞对器件热可靠性的影响[J].固体电子学研究与进展，2011，31（5）：517?521.

[12] GHODKE N， KUMBHAKARNA D， NAKANEKAR S， et al. Fatigue life prediction for solder interconnects in IGBT modules by using the successive initiation method [C]// Proceedings of 2014 IEEE Intersociety Conference on Thermal and Thermomechanical Phenomena in Electronic Systems. [S.l.]： IEEE， 2014： 598?604.