基于模块导通电阻的碳化硅MOSFET键合线健康状态评估方法

孙海峰， 张红玉， 蔡 江

(华北电力大学 电气与电子工程学院，河北 保定 071003)

0 引 言

SiC MOSFET是第三代半导体功率器件的代表，与传统的硅器件相比，它具有更高的阻断电压，更低的导通电阻，更高的开关速度和更好的传导性[1-9]。碳化硅电力电子器件在新能源发电、电动汽车、柔性输电等领域具有越来越重要的地位并拥有广阔的前景[10-15]。SiC MOSFET模块是功率变换器的核心器件，随着器件的老化，会发生不可预见的故障，引起经济损失[16-19]。因此，对SiC MOSFET的在线监测可以提前发现故障，为提前解决故障提供数据，提高可靠性，减少故障时间。文献[20]～[22]指出，键合线的断裂是一种故障率很高的封装级失效。一旦键合线发生脱落，其它键合线承受的电流增大，会使其它键合线的加速脱落。

文献[21]提出一种在任何温度下准确辨识出键合线老化的方法，但该方法只能在停机状态下进行准在线检测且操作复杂。文献[23] 研究了IGBT键合线等效电阻与键合线断裂数的关系，但不适用于SiC MOSFET。文献[24]通过监测IGBT模块内部单个芯片等效键合线压降的变化，辨识出 IGBT 模块内键合线的老化状态，进而判断出 IGBT 模块的健康水平。但此方法需要拆机检测，在实际应用较难实现。目前还没有针对SiC MOSFET模块键合线健康状态的检测方法。

因此，鉴于以上问题，本文基于SiC MOSFET模块的特点。通过监测模块的导通压降和导通电流，计算出导通电阻，并对温度与导通电流进行归一化处理，得出归算后的导通电阻，和临界值电阻进行比较，从而确定键合线健康程度。该方法可以在不拆机、无需移动、不需停机状态下进行检测，易于实现，对碳化硅MOSFET模块具有普适性。

1 SiC MOSFET的仿真模拟分析

导通电阻Ron主要由沟道电阻RCH、漂移层电阻RDR、JFET区电阻RJFET、键合线总电阻RBW、源极内阻RS、漏极内阻RD1构成。研究[6]表明，碳化硅MOSFET的漂移层电阻RDR具有正温度系数，JFET区电阻RJFET具有正温度系数，源极漏极内阻和键合线电阻都具有正温度系数，沟道电阻RCH具有负温度系数，且当栅极电压不断增加，RCH对Ron的影响会不断地减小。因此，SiC MOSFET具有正温度系数。

采用WOLFSPEED公司所提供SiC MOSFET的 LTspice模型，模型包含了关于温度的拟合。通过开通和关断的波形，来观察导通电阻随温度和键合线健康程度的变化，并模拟键合线的数量来表征键合线健康的程度。等效电路如图1所示。

图1 SiC MOSFET等效电路Fig.1 Equivalent circuit of SiC MOSFET module

其中，LG1为栅极内电感,RG1栅极内阻，RBW为键合线电阻，LBW为键合线电感，LS为源极内电感，LD1为漏极内电感，CGD为栅漏杂散电容，CGS为栅源杂散电容，CGD为漏源杂散电容，LG2为驱动电感，RG2为驱动电阻，LD2为负载电感，RD2为负载电阻。

2 键合线状态监测原理

2.1 键合线失效机理

本文实验所用的SiC MOSFET模块如图2所示。图2为SiC MOSFET模块的内部结构图，图3为其单桥臂原理图。SiC MOSFET模块的型号为CAS120M12BM2。不同于Si IGBT，由于SiC MOSFET为第三代半导体器件，其具有极小的导通电阻，SiC MOSFET模块导通电阻约10～26 mΩ[25]，而单根键合线的阻值大约为3～10 mΩ。因此，键合线的电阻是模块导通电阻的重要组成部分。

从图2可以看出，一个SiC MOSFET桥臂由6个SiC MOSFET芯片并联构成，每个SiC MOSFET芯片反向并联2个碳化硅二极管。从二极管上通过4根键合线引到SiC MOSFET模块源极端子。

图2 SiC MOSFET内部结构图Fig.2 Internal structure of SiC MOSFET

键合线主要用于SiC MOSFET芯片和碳化硅二极管的连接、芯片与端子的连接如图3所示。

图3 SiC MOSFET内部原理图Fig.3 Internal schematic diagram of SiC MOSFET

键合线脱落主要是由于当模块受热，模块的温度改变，键合线、焊料层和铜板间热膨胀系数不同导致的形变不同，从而产生机械应力。长久的机械应力使键合线脱落或者折断而产生不同程度的受损。有研究表明，键合线的脱落是模块失效的重要原因。当部分键合线脱落时，剩余键合线所承受的电流加大，虽然模块仍可以正常工作，但是会造成更大的不稳定性，加快其它健康键合线断裂的速度。

2.2 键合线脱落和模块导通电阻的关系

本文研究SiC MOSFET模块的键合线封装级失效，是一个渐变的过程。当不考虑SiC MOSFET芯片老化的影响时，SiC MOSFET芯片的导通电阻不会随键合线的断裂而改变。但对于模块来说，源极端子包含了键合线在内，所以对于整个SiC MOSFET模块而言，其导通电阻会因键合线的断裂而发生改变。如图1所示，当器件导通时模块的导通电阻

RM(on)=RD1+RBW+RS+RC(on)

(1)

式中：RM(on)为SiC MOSFET模块的导通电阻；RC(on)为SiC MOSFET芯片的导通电阻；RBW为键合线总电阻。

则键合线健康时，模块导通电阻

(2)

脱落n根后，模块导通电阻

(3)

用式(3)减去式(2)为导通电阻的变化

(4)

故ΔRBW的变化就反应到导通电阻变化值ΔRM(on)上来。从而估算键合线的健康程度。

对于模块的导通电阻，文献[6]指出，影响导通电阻的主要是由温度和栅极电压。但是以研究键合线为目的时，模块的导通电阻受温度、栅极电压、漏极电流和键合线的总电阻影响。

RM(on)=f(Tj,VGS,Id,RBW)

(5)

式中：Tj为芯片的结温；VGS为栅源电压；Id漏极电流。

由图4所示，将Tj与RDS(on)二次拟合后，结果如式(6)所示，其二次拟合度为0.995，说明了结温与导通电阻成良好的二次关系。

Ron=3.470 67×10-4Tj2-0.023 11Tj+13.133 14

(6)

在工业运行当中，为了降低其损耗，栅源电压VGS固定在推荐值，即开通状态的栅极电压为固定值。当进行检测时，对照器件数据手册所确定的VGS和IDS进行测量，由于较宽温度下(0～150 ℃)模块导通电阻和温度有良好的二次关系，在模块键合线健康状态下，取三个不同的(RM(on),Tj)坐标，就可以得出该模块在0～150 ℃下的关于导通电阻和温度的二次函数。用上述方法，只要把导通电阻和温度进行二次拟合来近似，归一化处理后，就可消除温度对导通电阻的影响。

图4 Tj与RDS(on)的二次拟合结果(IDS=20 A)Fig.4 Fitted relationship between Tj and RDS(on)

图4所示，经过二次拟合后，在0～150 ℃的情况下，误差为0.995，且拟合所产生的误差与键合线脱落引起的导通电阻的改变相比可以忽略不计，故可以进行二次拟合来进行折算。

同时模块导通电阻还受导通电流的影响，如图5所示，导通电阻随着导通电流的增加而线性增大。

图5 在不同温度下RDS(on)和IDS的关系Fig.5 Relationship between RDS(on) and IDS at different temperatures

图6 Tj、RDS(on)和Id的关系Fig.6 Relationship between RDS(on) and Id at different temperatures

在实际应用中，往往会给定栅极电压VGS，使器件处于完全导通状态，且栅极电压为固定值。故通过上述方法，可将温度Tj和漏极电流Id进行归一化处理，如图6所示，将导通电阻归算到同一温度和同一导通电流下与健康临界值进行比较，消除温度Tj和漏极电流Id对导通电阻的影响。因此，

RM(on)=f(RBW)

(7)

在实际应用中，可以用DSP处理器采集测量电路的Id，Tj和VDS。通过计算得出其导通电阻，并进行拟合归一化处理得到归算后的模块导通电阻值。键合线的在线检测流程，如图7所示，将拟合后的导通电阻与临界值进行比较，如超出临界值，则需更换模块。

图7 键合线状态监测流程图Fig.7 Flow chart of condition monitoring of bond wire process

3 实验测量

本文采用逐步剪断键合线的方法模拟键合线脱落的情况，将SiC MOSFET模块久置于恒温箱中，且SiC MOSFET模块没有运行，此时可认为壳温和结温相等。

模块导通期间主要分为3个阶段：开通阶段，导通阶段，关断阶段。 导通阶段时间为50 μs。测试导通电阻期间，模块会产生2 J左右的热量，使得结温略高于恒温箱的温度。

本实验采用了如图8所示的Agilent B1 505 A与N1 259 A功率器件分析仪/曲线追踪器，提供栅极电压为20 V，漏极电流20 A；恒温箱能提供特定温度给被测模块；被测试模块采用该模块的上半桥臂，将依次剪断上半桥臂源极的键合线。图9为测量原理图。

图8 静态特性测量实物图Fig.8 Physical layout of static characteristics measurement

图9 导通电阻测量原理图Fig.9 On state resistance measurement schematic

由于一个SiC MOSFET模块是由6个SiC MOSFET芯片并联，每个SiC MOSFET芯片又与2个二极管反向并联，如图3所示。当键合线断裂时，分为两种情况：

(1)如图3红框所标出的源极24根并联键合线断裂，且键合线的断裂没有影响到SiC MOSFET芯片的正常工作；

(2)某些键合线的断裂导致SiC MOSFET芯片的断开。

3.1 键合线断裂没有导致SiC MOSFET芯片断开

当6块SiC MOSFET芯片全部正常工作时，图3红框中至少需剩余4根键合线正常工作。模块在25 ℃时随着键合线的减少，SiC MOSFET模块的导通电阻测量值逐渐增大，文献[24]提出，键合线健康状态可初步分为3个：健康状态、亚健康状态、病态，如图10所示。

采用上述方法，对SiC MOSFET模块测量依次剪断键合线。恒温箱固定于25 ℃，栅极电压为20 V，漏极电流为20 A，测得的导通电阻如图10所示，当剪断14根键合线后，导通电阻发生了较大的变化，增加了5.064%。当键合线断裂根数大于14时，剩余键合线上分得电流会骤增，加速SiC MOSFET模块的老化和其他键合线的断裂，此时认为SiC MOSFET为病态，应及时更换。根据图10所示的剪断不同键合线根数对应的导通电阻值，如表1所示，得知随着键合线的变少，导通电阻值的变化速度加快。当键合线脱落根数达到60%的时，通态电阻增加5.064%，认为模块达到了病态。

图10 剪断不同键合线下的导通电阻Fig.10 On state resistance with different bonding wires cut off

表1 剪断键合线后模块导通电阻值

Tab.1 On state resistance value of module with different bonding wires cut off

键合线剪断根数RM(on)/mΩ变化百分数/%013.9020213.9480.330414.0020.719614.0691.201814.1531.8051014.2611.3811214.4043.6111414.6065.0641614.9087.2361815.41110.8541915.81513.7612016.42018.113

3.2 键合线断裂导致MOSFET芯片断开

当键合线的断裂影响到MOSFET芯片的正常工作时，某些键合线的断裂会导致SiC MOSFET芯片断开，如连接栅极和铜板的键合线断开、连接源极和二极管的键合线断开、连接铜板和铜板的6根并联的键合线全部断开。假设发生SiC MOSFET芯片断开发生，同时有尽可能多的键合线正常工作，这时的导通电阻是最小的，这种情况最大地体现出MOSFET芯片的断开对于导通电阻的增加的影响。

利用上述方法，图11为当被测模块处于25 ℃，栅极电压为20 V，漏极电流为20 A时，SiC MOSFET芯片的断开块数与导通电阻之间的关系。当仅一个SiC MOSFET芯片断开时，导通电阻增加6.56%，超过了病态导通电阻的临界值。这是因为单个SiC MOSFET芯片相对于键合线阻值较大且只有6块并联。因此一块芯片断开连接，就是使导通电阻骤增。表2为随着芯片断开数量的增多，模块的导通电阻增大加快。由于当单个SiC MOSFET芯片因键合线故障而发生断开时，其他的SiC MOSFET芯片因并联分流的原因，所承受电流将大大高于额定电流，将会加速老化，甚至击穿。此时，需要更换SiC MOSFET模块。

图11 随着SiC MOSFET芯片的断开导通电阻的变化Fig.11 Changes of on state resistance when the SiC MOSFET chip is disconnected

表2 断开芯片后模块导通电阻值

Tab.2 On state resistance value of module after chips are disconnected

键合线断开芯片RM(on) /mΩ变化百分数/%013.909 30114.9036.562216.60518.798319.58540.223425.08879.786545.581227.119

结合上述讨论，键合线断裂使导通电阻值达到病态时，不论是否导致了SiC MOSFET芯片的断开，都应该及时的更换模块。

4 结 论

本文基于模块导通电阻与键合线健康状态的关系，提出了一种可适用于在线监测键合线老化的方法。通过实验验证了该方法可以在SiC MOSFET 模块工作时，有效地检测键合线的脱落情况。根据本文研究，得出以下结论。

(1)由于工业化制造的SiC MOSFET模块在出厂时无法精确控制导通电阻，DATASHEET中的导通电阻为区间值。故需要SiC MOSFET模块处于健康状态工作时，通过采集模块处于不同温度和漏极电流时的导通电阻信息并拟合，此时所采集的信息为此模块健康状态实际的信息。SiC MOSFET模块的特点为导通电阻很小，大约为几毫欧至几十毫欧，所以键合线阻值对整个模块阻值占有一定的比重。当功率越大，芯片的导通电阻往往越低。因此该方法可用于其他不同型号与不同厂家的SiC MOSFET模块。

(2)导通电阻具有很高的抗噪能力。只需测量导通压降VDS(on)和导通电流Id。当键合线脱落根数达到60%的时，通态电阻增加5.064%，认为模块接近失效，意味着该模块应该及时更换。

(3)结温的变化对本文所提方法影响较小，在较宽温度下(0～150 ℃)，通过归一化处理，可以忽略温度对导通电阻的影响。

本文提出通过导通电阻监测SiC MOSFET键合线健康状态的方法，有较高的工业使用价值。通过理论分析，软件仿真和实验测量，验证了该方法可行，同时定量分析了键合线和导通电阻的关系。进而可以通过导通电阻，检测模块的老化程度，为模块在线监测提供了一个新思路。