一种基于短路电流的IGBT模块键合线老化监测方法

苏荣杰 杜明星 李 豹

1(天津理工大学电气电子工程学院 天津 300384) 2(国网浙江海盐县供电有限公司 浙江 嘉兴 314300)

0 引 言

随着功率半导体技术的飞速发展,具有驱动功率小、开通速度快、饱和压降低等优点的IGBT模块成为应用最广泛的功率半导体器件之一,是许多在严苛和不确定工况下运行的电力电子系统的核心部件,例如机车牵引、电动汽车、航空航天和可再生能源等领域[1-4]。有研究表明[5],负载变化会使功率半导体器件产生附加应力,如电应力和机械应力等,从而导致其疲劳损伤和高故障率。因此,作为承载电力电子系统电能变换的IGBT模块,是最容易失效的部分之一[6]。

因功率循环引起的键合线老化和焊料层疲劳是IGBT模块最主要的失效形式之一[7]。焊料层老化的原因是IGBT模块具有多层结构,且每层结构的热膨胀系数(Coefficient of Thermal Expansion,CTE)不同,电力电子系统运行过程中产生的热量使得IGBT模块结温产生变化,焊料层处受结温变化影响会发生塑性应变从而导致IGBT模块的焊料层老化损伤[8]。常见的IGBT模块键合线的老化损伤有两种,一种是键合线根部裂纹,另一种是键合线断裂[9]。键合线根部裂纹通常是由焊料层疲劳损伤直接引起的,而键合线断裂一部分是焊接处断裂,另一部分是键合线老化断裂。因此,IGBT模块工作时的结温及其健康状态的实时监测对保证电力电子系统的安全稳定运行具有重要意义。

温度敏感电参数(Temperature Sensitive Electrical Parameter,TSEP)因其温度响应快而常被应用于IGBT模块结温及其老化状态的监测[10]。Xu等[11]将短路电流作为温度敏感电参数,通过试验得到了温度与短路电流的线性关系,实现了IGBT模块的结温实时估计。Luo等[12]利用IGBT模块的辅助发射极和功率发射极之间的寄生电感来提取关断延迟时间,验证了结温与关断延迟时间的单调关系。短路电流之所以成为IGBT模块的TSEP,不仅是其具有足够的温度灵敏度,而且还能够精确表征IGBT模块键合线的老化损伤程度和测量IGBT模块结温。但作为TSEP,短路电流也有一些不足之处,比如它会受到结温以及键合线老化状态的耦合影响等。因此,为了利用短路电流精确表征IGBT模块的老化状态,必须对温度与键合线老化状态的耦合关系进行处理。对于同一IGBT模块,在不同结温下的输出特性和转移特性曲线在一个点相交,该交叉点上的短路电流不受结温的影响。基于此,Sun等[13]提出了一种基于转移特性曲线交叉点的IGBT模块键合线老化的监测方法,利用交叉点的特性去耦结温对短路电流的影响,通过测量键合线不同老化程度下交叉点的短路电流,实现对键合线老化状态的评估。然而,当短路电流值高于或低于交叉点电流时,该方法的监测精度将受到影响。

为了解决上述问题,文中引入与短路电流相关的IGBT模块集电极-发射极通态电压,将其分解为芯片阈值电压、芯片通态压降和封装电路压降三个部分,并讨论了各部分电压的计算方法。其中,IGBT模块的封装电路压降可表征键合线老化状态,通过解耦结温的影响,实现在输出特性曲线交叉点以外区域键合线老化状态的精确监测。

1 方法分析

1.1 键合线老化对短路电流的影响机理

键合线老化损伤主要是由于温度波动以及硅和铝之间的CTE不同,在键合线和芯片相连界面处产生的热-机剪切应力引起的。当硅芯片和铝键合线的温度波动为ΔT时,键合线与硅芯片之间的接合点的总应力εtot可描述为[14]。

εtot=L·(αAl-αSi)·ΔT

(1)

式中:αAl和αSi分别是铝和硅的CTE,L是线接触长度。

由式(1)可知,由于铝键合线和硅芯片的CTE不同,当功率循环过程中结温变化量ΔT较大时,接合处的总应变εtot也会很大,在接合处产生塑性应变。当IGBT模块承受持续的温度波动冲击后,导致塑性应变积累,最终造成键合线的脱落或者根部断裂。

为进一步研究键合线老化对短路电流的影响,图1给出了IGBT模块的等效电路。其中:Vg为驱动电压;Vge为IGBT芯片的栅极-发射极电压;Ig为IGBT模块的栅极电流;Isc为IGBT模块的短路电流;Lg和Rg分别是栅极引线的寄生电感和电阻;Lw和Rpackage分别是键合线的并联等效寄生电感和模块的封装电阻;Lae和Rae分别是辅助发射极引线的寄生电感和电阻;Le和Re分别是发射极引线的寄生电感和电阻。

图1 模块的等效电路

当键合线发生脱落或者断裂,都将引起封装电阻Rpackage的增加。如图1所示,在IGBT模块发生硬开关短路时,短路电流会因键合线老化程度加重引起的回路电阻增加而减小。因此,可以用短路电流来监测键合线老化状态。

1.2 键合线老化监测机理

在实际工况下,利用Isc进行键合线老化的监测存在挑战。图2显示了不同结温条件下IGBT模块的输出特性曲线,其中标记了交叉点Ic_int,并将其对应的集电极-发射极电压表示为Vce_int。为了便于研究结温对短路电流的影响,可将集电极电流Ic(10～70 A)的变化分为正温度系数(IcIc_int)三个区域。在区域2进行IGBT模块的键合线老化监测时,无须获取结温信息,温度对Ic的影响可以忽略不计。文献[13]就是利用了转移特性曲线交叉点处短路电流不受温度影响的特性实现了键合线老化的监测。但通常情况下,IGBT模块不会工作在此区域,且很难准确地捕获交叉点,进而使Ic_int难以应用于实际工况的键合线老化监测。要实现在交叉点以外对键合线老化的监测同样存在困难,图3所示为脱落不同键合线根数下的IGBT模块的输出特性曲线,短路电流与在转移特性曲线中的特性一致,交点处温度对短路电流的影响可以忽略,但是当短路电流值高于或低于交叉点电流时,将同时受到键合线老化程度和温度的耦合影响。因此依据文献[13]的方法进行交叉点以外键合线老化状态评估时,其精度将会受到温度变化的影响,因此只能实现在交叉点处对键合线老化的监测。短路电流Isc作为短路时集电极的饱和电流,可以视为集电极电流来进行分析。

图2 不同结温下IGBT模块的输出特性曲线

图3 不同老化程度下IGBT模块的输出特性曲线

为实现在输出特性曲线交叉点以外利用Isc对键合线老化进行监测,引入了与短路电流相关的通态电压并对其进行了分解,提取出了短路情况下能反映键合线状态的分量Vpackage,解耦了在交叉点以外结温对短路电流的影响。根据IGBT模块的物理结构和导通机理,将通态电压表示为:

Vce=Vce_th+Ic×Ron_chip+Ic×Rpackage

(2)

式中:Vce是通态电压;Ic是集电极电流;Vce_th是集电极-发射极的阈值电压;Ron_chip是芯片通态电阻。由于电导调制作用随着的Ic增大而减小,Ron_chip与Ic的乘积是芯片通态压降Von_chip。Rpackage是模块的封装电阻,与封装结构相关,不受集电极电流的影响,Rpackage与Isc的乘积为模块的封装电压Vpackage。

利用图4所示的PCT-2半导体参数测试系统可以对Vce_th进行提取,通过恒温恒湿箱模拟实际工况,测量得到不同温度下的输出特性曲线见图5(a),求得输出特性曲线斜率最大点并利用线性外推法可以得到集电极-发射极阈值电压如图5(b)所示。将不同温度下得到的Vce_th拟合后可以得到:

Vce_th(Tj)=-0.003 69×Tj+0.837 85

(3)

图4 PCT-2半导体参数测试系统

根据式(3)可以看出随着Ic的变化Vce_th保持恒定,其温度系数为负,Vce_th与Tj的拟合关系如图5(c)所示。

(a) 不同Tj的输出特性曲线(Ic范围为0～10 A)

(b) Vce_th获取方法

(c) Vce_th的函数拟合效果图5 阈值集电极-发射极电压的提取

当集电极注入电流在较低范围内时,IGBT模块的PIN二极管占通态电压的主要部分,MOSFET对通态电压的影响可忽略不计。因此,当IGBT模块的集电极-发射极电压接近阈值电压Vce_th时,在N+缓冲区、N-漂移区和芯片通道中产生的电压降可近似为零,电压降主要分布在阈值电压和封装电阻上。此时式(2)可以重写为:

Vce=Vce_th+Ic×Rpackage

(4)

根据式(4),当集电极-发射极两端施加电压接近Vce_th时,此时IGBT模块刚好导通,记录此时通过Vce和Ic的值即可求得的封装电阻Rpackage。在此利用图6所示的通态电压测试系统进行封装电阻提取。根据式(3)可以得到室温下的Vce_th为0.745 6 V,当大功率直流电源在集电极-发射极两端施加电压为0.82 V时,测得Vce=0.747 1 V,Ic=1.46 A,根据式(4),可以求得室温下Rpackage=1.028 2 mΩ。根据室温下求得的封装电阻,我们可以得到不同工况(Isc,Tj)条件下的封装电压Vpackage,可表示为:

(5)

式中:Rpackage,θ是室温下的电阻;θ是室温;T0取决于金属材料,材料为铝时,取228 K。

图6 通态电压测试系统

利用图6所示通态电压测试系统并结合式(2)对芯片通态压降Von_chip进行提取,得到Von_chip与Ic和Tj的关系如图7所示,可以看出Von_chip具有正的温度系数,其与Ic和Tj的关系如下:

(6)

式中:a00=-0.023 23,a10=0.006 936,a01=0.003 129,a20=-0.000 142 1,a11=-2.392×10-5,a30=1.091×106,a31=3.227×107。

图7 不同结温下的芯片通态电压

结合以上分析,考虑到温度的影响,式(2)可更新为:

Vce(Tj)=Vce_th(Tj)+Ic×Ron_chip(Tj)+

Ic×Rpackage(Tj)

(7)

当IGBT模块键合线发生老化时,对Vce_th和Von_chip产生的影响较小,但会引起Vpackage增加,因此,工况下获取短路电流Isc与结温Tj的信息后得到Vpackage,就可以根据Vpackage的变化来监测键合线老化。

2 键合线老化监测

2.1 诊断标准

当键合线发生老化时,会引起IGBT模块的封装电阻Rpackage的增加,在进行短路测量时依据短路电流Isc计算得到的封装电压Vpackage会大于健康模块短路时测量得到的值,此时键合线老化的诊断标准可描述为式(8)。

Vpackage_mea-Vpackage_n>0

(8)

式中:Vpackage_mea为短路测量后计算得到的封装电压,Vpackage_n为健康模块短路测量后计算得到的封装电压。在实际工况下,在获取短路电流Isc与结温Tj的信息后,可根据式(5)得到健康情况下的Vpackage_n,再结合式(3)、式(6)、式(7)得到短路测量后的Vpackage_mea,依据式(8)来判断键合线是否发生了老化。

2.2 技术优势

当IGBT模块工作在输出特性曲线交叉点以外时,利用Isc进行键合线老化监测,会受到温度与键合线老化程度的共同影响,也就是焊料层老化与键合线老化两种失效情况将会耦合在一起。当Isc0,而由键合线老化引起的短路电流变化ΔIsc2<0。因此,在这种工作情况下,由两种老化因素引起的短路电流变化可能相互抵消,导致IGBT模块老化的误判。当Isc>Ic_int时,集电极电流的温度系数为负,此时有ΔIsc1<0,ΔIsc2<0,这种情况下不能判断出因哪种因素导致了IGBT模块老化。

根据文中提出的诊断策略,集电极-发射极阈值电压具有负的温度系数,封装电压和芯片通态电压具有正的温度系数。当IGBT模块工作在IscIc_int情况时,Vce的温度系数为正,随着集电极-发射极电压的增加,Vpackage受到键合线老化的影响变大。因此,对于工作在输出特性曲线交叉点以外的IGBT模块,根据短路测量后得到的Isc计算出Vpackage,依据Vpackage_mea与Vpackage_n的差值可以判断键合线是否发生老化。判断出键合线发生老化的前提下,进而利用短路电流受键合线老化影响的特性,依据测量得到的短路电流实现键合线老化程度的评估。

3 实验结果

为了验证文中提出的键合线老化监测方法的正确性,文中以SKM75GB12T4 IGBT模块为研究对象开展实验研究。

3.1 短路电流和结温获取

在分析了文中提出的键合线老化的监测方法后,要利用Vpackage解耦温度对短路电流的影响,实现在输出特性曲线交叉点以外对键合线老化监测需要确定Isc与Tj的关系。IGBT模块的短路电流是结温的函数,为了得到短路电流和结温之间的关系,用IGBT模块进行硬开关短路实验来得到校准关系。

选择硬开关短路来进行短路试验以消除栅极电压的波动对短路电流的影响,硬开关短路实验原理如图8(a)所示。实验平台主要包括直流稳压电源、电阻箱、薄膜电容、门极驱动电路、加热板和红外测温仪。薄膜电容器C由电源通过电阻R充电,L是电容器和IGBT模块之间连接线的等效杂散电感。硬开关短路设备的开关顺序如图8(c)所示。在t1时刻,DUT两端将施加直流总线电压。然后,DUT在t2时刻由关断状态直接进入短路,电流迅速上升并达到峰值。DUT的集电极-发射极之间的电压Vce在由电路的电感性寄生元件引起的小波动之后仍保持在输入电压值。由于短路引起能量消耗,增加了器件温度以及MOS沟道电阻,所以电流随时间逐渐减小。记录短路电流曲线并读取短路电流值,t3时刻关闭了DUT。通常,短路时间应小于10 μs,以防止器件因过热而损坏,在此短路测试时间设置为4 μs,保证了电路的安全同时也能准确测出短路电流值。IGBT模块的结温由加热板控制。

(a) 短路测试原理图

(b) 短路试验台

(c) 短路电压电流图8 实验平台

在Vge和Vce经过开关导通过程并进入稳态后,记录短路电流值。在这种情况下,记录发生短路后3 μs的短路电流值并用于校准。考虑到由于短路脉冲期间产生的功耗导致DUT自热,在实际温度测量中应采用相同的保持时间(在这种情况下为3 μs),以补偿自热效应。图9显示了栅极电压Vg为13 V、集电极-发射极电压Vce为40 V时IGBT在短路状态下IGBT模块的栅极电压、集电极-发射极电压和短路电流曲线。短路发生3 μs的电流值处于稳定状态(t1至t2间隔),可以对其进行测量。

图9 短路实验波形

图9给出了健康IGBT模块不同温度下的短路电流值,短路电流具有0.17 A/℃的温度灵敏度和线性度。值得注意的是,图10中的温度是发生短路之前的器件结温,而不是记录短路电流时的器件结温。通过校准曲线,可以从短路电流值中推算出功率变换器运行时的IGBT模块结温,结合式(5)可以得到健康模块的封装电压Vpackage_n。

图10 健康IGBT模块Isc-Tj关系

当键合线发生老化后,IGBT模块的结温不能再依据健康情况下Isc-Tj关系来进行提取,为消除IGBT模块封装结构引起的误差,需要对结温进行补偿,补偿后真实结温可描述为[15]:

(9)

式中:k为校正因子,其值为温度变化量与通态电压变化量的比值;α为平均电阻温度系数,考虑IGBT模块内部材料只要为铜和铝,可取为0.004 1 ℃;V0为输出特性曲线中特定电流对应的基准电压;T0是与基准电压相对应的基准温度(室温);Rpackage_0是温度为T0时IGBT模块对应的封装电阻。

3.2 基于短路电流的IGBT模块键合线老化监测

工况下测量得到IGBT模块短路电流的信息后,就可以根据式(3)、式(6)、式(7)、式(9)计算出短路测量后的封装电压Vpackage_mea,根据封装电路压降差值Vpackage_mea-Vpackage_n可以辨识键合线的老化状态。在键合线老化损伤的前提下,可以利用短路电流来进一步判断出键合线老化损伤程度。

图11(a)所示为IGBT模块键合线脱落0～6根情况下对应的短路电流,可以看出,短路电流Isc随着键合线脱落数的增加而减小,这反映了IGBT模块在寿命周期内的持续老化过程,可以看出短路电流受键合线老化的影响明显,因此可以用来监测键合线的老化状态。为了进一步诊断键合线失效根数,式(10)定义了表征键合线老化程度的短路电流Isc的变化率,其中Isc_n和Isc_a分别是健康模块和键合线老化模块的短路电流。

(10)

(a) 短路电流与键合线老化程度的关系

(b) 短路电流变化率与键合线老化程度的关系图11 键合线老化与短路电流的关系

由图11(b)可以看出键合线脱落不同根数下,短路电流的变化率都有明显的变化,因此我们可以根据短路电流的变化率来判断出键合线脱落的根数,由此可以判断出该模块的健康状态。

为验证此方法能够在输出特性曲线交叉点以外对键合线老化状态进行精确监测,分别对健康的IGBT模块以及键合线老化后的IGBT模块进行了实验。测得健康的IGBT模块的短路电流为90A(Isc>Ic_int),结合式(5)以及Isc-Tj的关系,可以得出Tj=61.76 ℃,Vpackage=0.106 0 V。当键合线发生老化后,测得此时Vce=1.280 8 V,Isc=87.119 A,Tj=59.86 ℃,可以求出Vpackage=0.230 8 V,即Vpackage_mea-Vpackage_n>0,判断出键合线发生了老化,利用式(10),可得σ=4.43%,可判断出键合线脱落根数为2,实现了在输出特性曲线交叉点以外的键合线老化状态监测,完善了基于转移特性曲线交叉点的IGBT模块键合线老化监测方法。

表1 IGBT模块键合线老化监测方法的比较

文献[16]表明,当脱落的键合线数大于初始键合线数的70%(该模块失效时为>6根)时,IGBT模块的剩余寿命为总寿命的2.3%,该IGBT模块不适合正常工作。根据本文提出的方法,我们可以实现IGBT模块键合线的老化状态监测,提高了电力电子系统的安全性。

4 结 语

本文以IGBT模块短路电流作为温度敏感电参数,采用通态电压分离方法去除结温的耦合影响,实现了IGBT模块键合线的老化监测。该方法将通态电压分离为一个负温度系数电压Vce_th和两个正温度系数电压Von_chip和Vpackage,利用Vpackage解耦了温度对短路电流的影响,完善了基于输出特性曲线交叉点的IGBT模块键合线老化监测方法,实现了不同短路电流在不同结温条件下对IGBT模块键合线老化的在线监测。