李亞萍，周雒維，孫鵬菊

（1.重慶大學輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術國家重點實驗室，重慶400044；2.石河子大學機械電氣工程學院，石河子832000）

IGBT功率模塊加速老化方法綜述

李亞萍1,2，周雒維1，孫鵬菊1

（1.重慶大學輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術國家重點實驗室，重慶400044；2.石河子大學機械電氣工程學院，石河子832000）

功率變流器的可靠性評估和壽命預測已經(jīng)成為非常重要的研究課題。IGBT功率模塊的大量使用在諸多領域里越來越廣泛，它們的失效主要由熱機械疲勞引起，而在正常工作運行時，這種疲勞老化過程很漫長。因此，為全面觀察和探究功率模塊的疲勞老化失效過程，需要設計加速老化試驗以縮短研究周期。最普遍的老化試驗方法是對器件施加熱應力和電應力，對器件不斷熱沖擊實現(xiàn)加速老化進程的目的。文中主要歸納分析了各種加速老化方法的目的和差別，并重點總結(jié)了功率循環(huán)加速老化方法在不同試驗條件、失效方式、試驗持續(xù)時間、試驗電路設計、監(jiān)測的電氣參數(shù)和熱參數(shù)等方面的不同，目的在于提出加速老化方法的一般步驟和需要考慮的問題。最后根據(jù)這些問題對加速老化方法的研究進行了展望，為IGBT功率模塊乃至整個變流器系統(tǒng)的失效機理分析、可靠性分析、壽命預測、健康狀態(tài)評估和狀態(tài)監(jiān)測的研究奠定了基礎。

可靠性；功率循環(huán)；熱循環(huán)；加速老化；先兆參量

引言

隨著半導體技術的發(fā)展，IGBT的應用領域也在不斷拓展，逐漸向大功率以及特殊領域，如新能源發(fā)電、機車牽引、艦艇推進系統(tǒng)以及航空航天動力系統(tǒng)等滲透。這類應用領域工況嚴酷且對IGBT的可靠性有嚴格的要求［1-7］。而應用于開關電源、家用電器等電子裝置中的電力電子器件，工況較平穩(wěn)，功率循環(huán)波動小，因此對這類電力電子系統(tǒng)可靠性評估通?？刹捎每煽啃?、失效率、平均無故障時間MTTF（mean time to failures）、平均維修時間MTTR（mean time to repair）和可用性等指標［8］。對于工況復雜，例如風電變流器需要面對潮濕、極端的高低溫、風沙和鹽、霧等外部環(huán)境，功率循環(huán)波動大的電力電子系統(tǒng)，為實現(xiàn)最大風能捕獲，機側(cè)變流器的頻率、電流、電壓需要隨風速變化而不斷變化，將在功率器件上產(chǎn)生大量功率循環(huán)/熱循環(huán)載荷，對功率器件的可靠性造成很大影響，在電動汽車驅(qū)動和機車牽引領域的功率變流裝置也面臨同樣的可靠性問題，功率變流裝置中的IGBT器件伴隨著較大的溫度波動，承受周期變化的熱應力沖擊，形成長期的失效累積，從而降低器件乃至整個系統(tǒng)的可靠性。因此，需要更好的方法研究由工作狀況產(chǎn)生熱機械應力引起老化累積的可靠性問題。

可靠性是一個系統(tǒng)或組件在規(guī)定的運行條件和環(huán)境下，在特定的時間周期內(nèi)執(zhí)行一定功能的能力［9］。對于電力電子系統(tǒng)可靠性問題可從器件層面和系統(tǒng)層面進行討論。工業(yè)經(jīng)驗表明，尤其在可再生能源發(fā)電系統(tǒng)中，動態(tài)負荷和輸入變化引入額外的應力，導致功率半導體器件疲勞和高失效率。一般地，在變換器系統(tǒng)中，功率半導體器件失效約20%［10］。研究表明，影響IGBT模塊的可靠性，造成其老化失效的主要原因是熱機械疲勞，可造成鍵合引線脫落、斷裂、焊料層疲勞，如果發(fā)現(xiàn)及時，可避免隨后的器件短路、開路故障，以及器件燒毀或爆炸，避免進一步引起整個系統(tǒng)故障發(fā)生。

加速老化方法是研究電力電子器件可靠性的一種非常重要的方法，可以用于了解器件各種失效機理，發(fā)現(xiàn)器件封裝的薄弱環(huán)節(jié)，有利于廠商從材料和結(jié)構層面進行改進和優(yōu)化；研究老化過程中器件的失效特征參量的變化情況，進一步實現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測，從而提高可靠性；也可以用于描述IGBT模塊的壽命特性，根據(jù)不同的溫度變化和失效時間進行壽命預測［5］；還可以對器件潛在失效機理建立物理失效模型，實現(xiàn)可靠性評估。正常運行中，IGBT模塊疲勞老化過程緩慢，壽命周期長，對電力電子系統(tǒng)使用壽命的要求至少在10年以上，甚至要求達到30年，為了研究其可靠性，實施加速老化試驗具有一定的必要性。然而對功率半導體器件的加速老化試驗還沒有一個詳細系統(tǒng)的設計說明和標準。IEC標準（IEC60749-34、IEC60068-2-14）和JEDEC標準（JESD22-A105C、JESD22-A122）都規(guī)定了一般的功率循環(huán)和熱循環(huán)試驗步驟，但程序細節(jié)仍然含糊不清［10-13］。因此，英飛凌、賽米控、富士電機等器件制造商建立了各自內(nèi)部的試驗理念，用于定義、維護和改善內(nèi)部的質(zhì)量水平，但很難對不同廠家的試驗結(jié)果合格的限制條件進行對比評定。

本文首先闡述加速老化試驗的概念和模型,主要研究IGBT模塊由于熱機械應力引起老化疲勞累積問題的可靠性試驗方法，分析功率循環(huán)加速老化試驗和熱循環(huán)加速老化試驗的特點，指出各種試驗方法的優(yōu)缺點，以及不同加速老化試驗設計過程中需要考慮的問題，為IGBT功率模塊乃至變流器的失效機理分析、可靠性分析、壽命預測、健康狀態(tài)評估和狀態(tài)監(jiān)測的研究奠定基礎。

1 加速老化試驗

1.1 加速老化試驗的概念及模型

加速老化試驗AAT（accelerated aging test）是對產(chǎn)品進行可靠性調(diào)查、分析和評價的一種手段。試驗結(jié)果為故障分析、研究采取的糾正措施、判斷產(chǎn)品是否達到指標要求提供依據(jù)。所以，又被稱為加速壽命試驗ALT（accelerated life test）或加速退化試驗ADT（accelerated degradation test）。

IGBT模塊的加速老化試驗主要研究器件的封裝可靠性問題。由于IGBT模塊多層結(jié)構及不同材料間熱膨脹系數(shù)的不匹配，在反復的熱循環(huán)沖擊下，容易引起材料的疲勞老化。鋁鍵合線脫落和焊料層疲勞是IGBT在功率循環(huán)中最主要的兩種失效模式，還會引起焊料層分層、空洞率增加、鋁箔金屬化重構。研究表明，不同材料之間的熱機械應力隨著溫度的變化而變化，熱膨脹系數(shù)的不匹配將導致鍵合引線的剝離、翹曲或斷裂以及焊料層的開裂，最終使得芯片的結(jié)構發(fā)生變形或連接處發(fā)生熱疲勞而導致器件失效。

功率器件的解析壽命模型是描述失效周期數(shù)Nf和加速老化試驗中各變量間的關系，通過對老化數(shù)據(jù)進行相應的擬合，求出參數(shù)因子；反過來，壽命模型也可以進一步指導設計加速老化試驗。其中，循環(huán)周期是指加速老化過程中，結(jié)溫Tj從最高溫度到最低溫度循環(huán)一個周期，即為一次。失效周期數(shù)Nf即壽命，是指隨著結(jié)溫波動使器件趨于老化失效的周期數(shù)。所以在加速老化試驗中，結(jié)溫的獲取是關鍵的。根據(jù)Coffin-Manson法則，溫度波動越大，壽命越短。最初的壽命模型為

式中：Nf為失效周期數(shù)；A和α為恒定常系數(shù)；ΔTj為結(jié)溫波動。該式說明壽命與結(jié)溫波動有關，增大結(jié)溫波動可以加速半導體器件的老化進程。

另外，Coffin-Manson法則中引入一個Arrhenius因子，則解析壽命模型所描述的表達式變?yōu)?/p>

式中：Tm為平均溫度；KB為玻爾茲曼常數(shù)，KB= 1.380×10-23J/K；Ea為激活能Ea=9.89×10-20J；參數(shù)A和α由試驗數(shù)據(jù)擬合所得［5］。該式說明壽命除了與結(jié)溫波動有關外，還受溫度平均值影響，幾乎所有硅半導體器件的失效過程都會因溫度升高而加速［14］。文獻［15］指出近60%的器件失效是由溫度引起，在正常工作溫度范圍內(nèi)，溫度每上升10℃，器件失效概率以近2倍的速率上升，其壽命模型為

式中：Tjmin為結(jié)溫最小值；ton、I、V和D分別為模塊的升溫時間、單根鍵合引線電流、模塊阻斷電壓和鍵合引線直徑［16］。式（3）是對不同廠家的IGBT進行壽命預測，所以考慮的影響因素更多，且各變量盡量相互獨立。

可見,失效周期數(shù)Nf與加速老化試驗中很多變量包括溫度最小值、結(jié)溫波動、平均溫度、電流、循環(huán)頻率、溫度上升速率等有關系。所以可以通過加速老化試驗調(diào)節(jié)這些變量，控制對器件施加的應力，實現(xiàn)加速器件的老化進程。

加速老化試驗的成敗關鍵是掌握加速老化試驗中的加速因子AF（accelerated factor）［17］，AF用以表征產(chǎn)品在不同應力水平下失效過程的快慢程度，也稱為加速系數(shù)，是試驗中的一個重要參數(shù)，指正常應力下某種壽命特征與加速應力相應壽命特征的比值，其定義可表示為

式中：Nnormal為正常應力水平下產(chǎn)品的壽命；Nstress為加速應力水平下產(chǎn)品的壽命。

通常情況下，IGBT模塊在實際應用工況下，累積疲勞老化過程中，受溫度影響巨大，加速試驗常采用溫度作為加速應力。高溫應力加速因子可由Arrhenius模型計算，即

式中：Tnormal為正常工作溫度；Tstress為施加應力的溫度。溫度循環(huán)加速因子可由Coffin-Mason公式計算，即

式中：Tstress（hot/cold）為應力溫度；Tuse（hot/cold）為使用溫度；β為溫度變化的加速率常數(shù)。

現(xiàn)有文獻中采用方法的不同，主要有功率循環(huán)加速老化方法、熱循環(huán)加速老化方法，還有功率循環(huán)和熱循環(huán)結(jié)合的加速老化方法，都屬于循環(huán)應力加速壽命試驗，其應力是按一定的周期和幅度進行變化。其中，功率循環(huán)試驗是通過導通或高頻通斷給器件施加功率，產(chǎn)生熱損耗，使器件溫度發(fā)生周期性波動，相當于是一種“主動”（active）加速循環(huán)試驗；熱循環(huán)試驗中，器件溫度波動是由外部環(huán)境溫度變化引起，被認為是“被動”（passive）循環(huán)試驗［5］，溫度波動周期較長。現(xiàn)有研究結(jié)果表明，功率循環(huán)常引起鍵合引線失效和焊料層疲勞，而熱循環(huán)易引起焊料層疲勞［18］?？焖俚墓β恃h(huán)（循環(huán)周期以秒計）及溫度波動較大（結(jié)溫波動ΔTj＞100 K）易導致鍵合引線失效，而較慢的功率循環(huán)（循環(huán)周期以分鐘計）和較低的溫度波動（ΔTj＜80 K）,易導致焊料層疲勞［19-21］。這兩種老化實驗方法的共同點是保證器件都工作在安全工作區(qū)，電壓、電流、溫度都不超過規(guī)定的額定值。一般認為，電氣系統(tǒng)的應力是指電壓、電流和溫度，功率是獨立應力，但是也可看作電壓、電流和熱的應力組合。所以，其中功率循環(huán)試驗更接近器件實際的運行情況，有助于進一步研究器件在運行條件下的狀態(tài)監(jiān)測。

根據(jù)不同的實驗目的和老化試驗方法，國內(nèi)外常用的IGBT老化試驗設備也相應地分為2種：熱循環(huán)加速老化試驗設備和功率循環(huán)加速老化試驗設備。這兩種老化設備是針對器件封裝失效設計的，其中功率循環(huán)老化設備根據(jù)采用的加熱電源不同，又分為直流功率循環(huán)加速老化設備和交流功率循環(huán)加速老化設備，也相應存在一些弊端，如批量老化器件數(shù)量較少、采用的電源過多、成本造價過高等，目前國內(nèi)成熟產(chǎn)品較少。

以IGBT模塊為加速老化試驗的研究對象，典型的IGBT模塊的結(jié)構如圖1所示，其應用領域廣泛，失效模式多樣，對IGBT模塊的加速老化試驗的描述也各有異同。IGBT模塊的失效模式有短路、開路、漏電流增加或柵極失控等，失效的原因主要是由于環(huán)境條件（高溫）或運行條件（熱應力、電應力）綜合作用引起，是一個復雜且逐漸積累的過程，其主要的失效機理包括：焊料層疲勞、鋁鍵合引線故障、熱電子和時間相關的電介質(zhì)擊穿TDDB、擎住效應等［22］。這些失效機理可以通過觀察某個或某些重要的特征參量的變化進行辨識［23］，在實際應用中，可用于狀態(tài)監(jiān)測和失效前預測。IGBT模塊的失效機理、失效模式和潛在原因分析［24-25］如表1所示。

圖1 IGBT模塊剖面Fig.1 Cross section of IGBT module

表1 IGBT模塊失效模式、機理、原因和先兆參數(shù)Tab.1 Failure modes,mechanisms and effects of IGBT module

根據(jù)以上論述的IGBT模塊在實際應用中出現(xiàn)的各種失效模式、機理、原因的分析，可將器件的失效分為與芯片相關的失效和與封裝相關的失效，前者屬于突發(fā)型失效，后者屬于退化型失效。退化型失效是一個逐漸積累演變的過程，鍵合線逐漸斷裂、脫落，焊料層空洞逐漸擴大、分層，更適合采用加速功率循環(huán)和熱循環(huán)的方法，實現(xiàn)對器件加速老化進行分析和研究。

為了提高器件和變流器系統(tǒng)的可靠性和使用壽命，也有很多研究者從材料和結(jié)構優(yōu)化設計，改進鍵合線和焊料層連接層的材料、尺寸和工藝［26-28］，或者從系統(tǒng)的容錯和冗余設計［29-30］，但這將會增加器件制造成本或受系統(tǒng)有限空間限制。近幾年，可靠性研究趨向于狀態(tài)監(jiān)測、壽命預測和主動熱管理方向［31-33］，需要考慮實際運行工況，所以功率循環(huán)加速老化方法成為研究熱點。

1.2 熱循環(huán)加速老化試驗

熱循環(huán)試驗也稱為溫度循環(huán)試驗，是通過外部加熱和冷卻裝置，使器件承受較大范圍的溫度波動，器件本身不消耗功率產(chǎn)生熱量，但要求循環(huán)時間必須足夠長，以使所有組件的裝配能夠達到最大或最小溫度。此試驗可以考驗器件耐受極限高溫和極限低溫的能力，以及惡劣的環(huán)境溫度對器件性能的影響［34］。熱循環(huán)試驗主要對焊料層的可靠性影響很大，容易引起芯片下焊料層和DBC下焊料層發(fā)生疲勞老化，根本原因在于IGBT模塊是多層結(jié)構，每層材料的熱膨脹系數(shù)不匹配，如表2所示，在熱機械應力作用下，使焊料層疲勞老化。

表2 IGBT模塊組成材料的熱膨脹系數(shù)Tab.2 The CET of different material used in IGBT module

RAPSDRA（1995-1998）項目的熱循環(huán)試驗中，Tmin=25℃，Tmax=105℃，125℃，tcycl=4 min，試驗持續(xù)時間［35］28 d，循環(huán)周期比功率循環(huán)試驗要長。文獻［36］的熱循環(huán)試驗溫度變化范圍-40℃～125℃，循環(huán)周期66 min和30 min，討論了功率模塊在不同熱循環(huán)周期的疲勞壽命和焊接裂紋行為。文獻［37］進行了3組溫度循環(huán)試驗：-40℃/120℃、40℃/120℃、-40℃/ 40℃，循環(huán)周期分別為：62 min、45 min、45 min，提出焊料層壽命不僅與溫度波動有關，也受最高溫度和最低溫度的影響，尤其對高功率IGBT模塊的DBC和底板間的焊料層的裂紋萌生和擴展有很大影響。通過熱循環(huán)試驗證明，對于無鉛焊料封裝的IGBT模塊，具有更好的耐焊料層退化能力［38］。

綜上所述，熱循環(huán)試驗主要用于研究功率IGBT模塊的焊料層疲勞狀況，從材料、厚度、結(jié)構角度，以及溫度對焊料層壽命的影響進行了討論，優(yōu)化器件的設計提高其可靠性。

1.3 功率循環(huán)加速老化試驗

功率循環(huán)加速老化試驗是通過導通或高頻通斷給器件施加功率，產(chǎn)生熱損耗，使器件溫度發(fā)生很大的周期性波動，形成熱沖擊，產(chǎn)生熱電應力，從而加速老化進程。其目的是在較短的時間里了解功率模塊的老化和失效機理的關系，因此，在較短的試驗周期里獲得老化數(shù)據(jù)，用于監(jiān)測和發(fā)現(xiàn)模塊在某一現(xiàn)場應用中的狀態(tài)，通過功率變流器的降額運行來調(diào)節(jié)器件的老化進程，從而提高系統(tǒng)可靠性。

1.3.1 功率循環(huán)電路

電路的選擇需要考慮功率變換器的應用領域和運行條件，盡量使加速試驗更接近實際運行情況，功率循環(huán)的主要功能是給IGBT模塊通入電流時，溫度增加到其額定值（一般小于125℃）后，關斷電流、散熱，溫度減小到穩(wěn)定值（一般大于25℃），保證溫度周期性波動。功率循環(huán)電路根據(jù)通入IGBT模塊的電流波形不同劃分為直流功率循環(huán)電路和PWM交流功率循環(huán)電路兩種，如圖3所示。

圖3 直流和交流功率循環(huán)試驗概念示意Fig.3 DC and AC power cycling test concepts

（1）DC功率循環(huán)電路：連續(xù)的一段時間通入恒定電流的電路被認為是DC電路，典型的DC功率循環(huán)電路如圖4所示，IGBT模塊柵極信號保持恒定，開關S1和S2交替導通，通常選用半導體器件代替2個開關［39］，給IGBT模塊周期性提供指定的負載電流和毫安級小電流（小電流的作用是采用溫敏電參數(shù)法間接獲得結(jié)溫）。柵極連接恒定不變的電壓，柵極電壓超過柵射極閾值電壓，確保導通時產(chǎn)生大量功率損耗，通過調(diào)節(jié)負載電流Iload、開通時間ton、關斷時間toff和散熱系統(tǒng)使Tmin和Tmax達到合適值。文獻［5］對300 A/1 200 V單管IGBT模塊進行快速直流功率循環(huán)試驗，VGE=15 V，Iload=240～300 A，ton=0.6～4.8 s，toff=0.4～5 s，水冷散熱，Tm分別為60℃、80℃、100℃，ΔTj=30～80 K。多數(shù)文獻描述的功率循環(huán)試驗是確保結(jié)溫在最大值和最小值之間周期波動，由于獲得準確的結(jié)溫有一定難度，所以也有文獻是確保殼溫在最大值和最小值之間周期波動，前者循環(huán)周期時間較短，一般以s計，后者循環(huán)周期時間較長，一般以min計［40］?？傊?，直流加速老化試驗方法的特點是電路簡單，較容易測量特征參量，是一種最流行的加速試驗電路，容易控制。但不足之處是與IGBT模塊實際工作狀態(tài)還是有一定區(qū)別，因為實際運行時，IGBT模塊是工作在高頻開關狀態(tài)的，存在開關損耗，通過IGBT的電流幅值是變化的，而且還有反并聯(lián)二極管的損耗，而在直流加速老化方法中IGBT只有導通損耗。

圖4 典型直流功率循環(huán)電路Fig.4 Typical DC power cycling test circuit

（2）AC功率循環(huán)電路：首先器件處于開關狀態(tài)，開關頻率為幾kHz，使溫度上升到最大值；然后器件處于關斷狀態(tài)，通過散熱器降溫，溫度下降到最小值。文獻［21］對600 V/200 A的IGBT進行功率循環(huán)加速老化，采用帶有感性負載的全橋逆變器電路，如圖5所示，交流功率循環(huán)試驗采用PWM運行模式，可以同時老化4～6個IGBT模塊，選出19個樣本采用5種不同的老化條件進行加速試驗，對結(jié)果進行了詳細的分析和對比，并提出了PWM功率循環(huán)老化方式與直流功率循環(huán)老化方式的區(qū)別。全橋逆變電路結(jié)構簡單，包括開關損耗，有較小的輸入能量要求，屬于節(jié)能測試電路［41-42］。文獻［43-44］采用2個西門子的IGBT模塊（1 200 A/3.2 kV）組成推挽式電路，當集電極電流為零時柵極電壓關斷，避免開關損耗。關斷時底板溫度保持在45℃，殼溫的變化量ΔTc=50 K，結(jié)溫的變化量ΔTj=60 K，平均結(jié)溫Tj=106℃，通入600 A的電流使波動達到要求，導通和關斷時間為50 s，記錄電壓、電流、殼溫、散熱器和水的溫度。對銅底板模塊和AlSiC底板模塊進行試驗和比較，發(fā)現(xiàn)前者的基板和底板間發(fā)生老化分層，后者沒有任何失效產(chǎn)生［39］。

所以，采用交流功率循環(huán)試驗電路進行加速老化試驗，IGBT模塊的運行更接近實際工作情況。但高頻PWM條件下特征量的提取有一定難度，測量更復雜，仍需進一步研究。

圖5 交流功率循環(huán)電路Fig.5 AC power cycling test circuit

1.3.2 控制策略

在功率循環(huán)試驗中，初始參數(shù)可能是任意的，但IGBT模塊的電參數(shù)和熱參數(shù)會隨器件的衰退而變化，整個試驗過程中選擇合適的控制參數(shù)和策略是非常必要的，文獻［45］指出通過功率循環(huán)試驗測試器件的壽命，不僅與參數(shù)的初始值有關，而且所選的控制策略對其也有很大的影響。

根據(jù)不同的控制參數(shù)可以定義幾種不同的功率循環(huán)控制策略：（1）固定導通關斷時間的循環(huán)時間控制。在這一策略中，通過選擇合適的導通、關斷時間對ΔTj進行調(diào)整。測試期間這些時間保持常數(shù)，不再使用其他的控制參數(shù)。這是最重要的試驗條件，因為測試期間退化效應可使ΔTj增加，從而會顯著縮短失效壽命。（2）基于參考溫度控制開通、關斷時間。這是歐洲制造商普遍使用的控制策略，采用環(huán)境溫度或散熱器的溫度作為控制參數(shù)，消除了冷卻條件變化對測試進度的影響。如果采用環(huán)境溫度作為控制參數(shù)，即便是改變散熱器熱阻也不會影響測試結(jié)果。（3）恒定功率損耗的控制策略。這一策略通常與固定導通、關斷時間的方法結(jié)合在一起，通過控制電流或柵極電壓使得每個加熱階段的功率損耗為常數(shù)。測試期間，單個鍵合線的故障增加了功率器件的導通電壓降，從而增加功率損耗。對于正溫度系數(shù)的器件，焊料疲勞可能會增加結(jié)溫，因此也將增加器件的通態(tài)電壓降。恒定功率損耗的控制策略將會人為降低器件的損耗，從而延長器件的壽命。（4）恒定溫度波動ΔTj的控制策略。在這一策略中，控制參數(shù)是在每個加熱階段結(jié)束時測量得到結(jié)溫。通常情況下，循環(huán)試驗中通過控制導通、關斷時間使溫度波動保持恒定，但也通過改變柵極電壓來控制電流和電壓降保持溫度波動恒定，實際中兩種方法可選其一。在這種情況下，模塊的退化效應不能改變溫度波動。這是最沒有挑戰(zhàn)性的試驗策略，將提供最高的壽命［46］。

1.3.3 運行條件

功率循環(huán)試驗運行條件的選擇對于加速老化試驗過程是至關重要的。首先是溫度的選擇，為了使器件衰退或老化失效的更快，更大的結(jié)溫波動是非常必要的，但也必須保證IGBT模塊運行在安全工作范圍，即最高溫度不能超過其額定值，增加溫度波動幅值比增加平均溫度對加速器件老化起到的作用更大［47］，文獻［48］指出在很多應用領域，如軍事、工業(yè)和化學電子、交通運輸，器件工作在高溫等惡劣環(huán)境下，功率循環(huán)試驗設置ΔTj為70 K（90～ 160℃），溫度控制采用水冷方式，結(jié)合加熱電阻實現(xiàn)升溫，實現(xiàn)了IGBT模塊處于高溫和大的溫度波動狀態(tài)，使得試驗條件更接近運行條件。結(jié)溫的測量通常采用在加熱電流脈沖導通前后，通過在小的檢測電流下測量Vce間接得到結(jié)溫。散熱器溫度可以通過冷卻的方式調(diào)節(jié)基板絕對溫度。其次是電流的選擇，電流可以是矩形波，也可以是正弦波，大部分情況電流的幅值都被設定為器件的額定值，或略比額定值稍高。電壓的選擇，一般是低于其額定值，大部分試驗電路采用感性負載，通常低于額定電壓的1/10。開關頻率在交流電路中起著重要的作用，高的開關頻率產(chǎn)生的開關損耗也高，因此能夠增加運行的溫度，一般交流功率循環(huán)試驗中開關頻率至少1 kHz。

1.3.4 先兆參量的監(jiān)測

在功率循環(huán)試驗方法中，如何選擇可以辨識出器件失效的特征參量并準確測量是非常重要的。失效先兆參量是指被測參量隨著即將到來的失效發(fā)生變化的特征量［49］，通過對特征參量的監(jiān)測和辨識，采取預測和相應措施可以減輕其影響［50］。通過對IGBT模塊的失效模式和失效機理的分析和研究發(fā)現(xiàn)，主要的失效特征量有：結(jié)溫Tj、集射極導通壓降VCE、柵極閾值電壓VGE（th）、熱阻抗Zth、集電極電流IC、柵極信號和關斷時間等。文獻［51］采用關斷時間作為GTO的失效指標實現(xiàn)健康監(jiān)測，因為GTO的開關時間大約在10μs，而IGBT器件的開關時間更短，在10～500 ns范圍內(nèi)，實現(xiàn)起來比較困難，關斷時間的增加主要是由于IGBT發(fā)生失效使結(jié)溫升高而引起的［52］。由于IGBT的開關速度快，測試困難，對硬件測試系統(tǒng)的要求極高，鮮有文獻采用開關時間作為特征參量。

IGBT的柵極信號也可作為特征參量進行器件的狀態(tài)的監(jiān)測，研究表明，由于IGBT器件老化使得柵極氧化層疲勞及內(nèi)部分布參數(shù)發(fā)生變化，導致老化前后IGBT的柵極閾值電壓、跨導隨老化程度及溫度變化，即柵極閾值電壓和跨導隨老化進程而增大，同時隨結(jié)溫呈反比變化趨勢［50］。文獻［53-57］結(jié)合仿真和實驗結(jié)果指出IGBT模塊的鍵合引線脫落對柵極電壓電流信號的動態(tài)波形有一定影響，從而提出利用柵極信號的開通波形進行缺陷的辨識；文獻［58-59］利用柵極端電壓信號進行IGBT模塊鍵合引線故障識別。由于柵極開通時間非常短暫，精確獲取柵極信號對硬件測量設備提出更高要求。

文獻［60-66］以集射極飽和壓降VCE（sat）作為鍵合引線脫落的特征參量，以熱阻Rth作為焊料層疲勞的特征量［67-70］。 且兩種老化方式都將使VCE（sat）發(fā)生變化，和幾V的飽和壓降相比，老化失效使其增加達幾百mV，所以較容易發(fā)現(xiàn)其變化；文獻［4］首次提出監(jiān)測到由于焊料層老化和鍵合引線脫落共同作用而引起的VCE（sat）下降再上升的驟變現(xiàn)象；文獻［71］描述了不同IGBT模塊選用鋁含量不同的鍵合引線，采用不同的鍵合技術直接鍵合到芯片金屬層，通過加速試驗觀察到VCE（sat）隨老化次數(shù)的變化情況，并制定了3條失效標準：①VCE（sat）增加了5%；②Rth（jc）增加了20%；③柵射極短路或存在更高的漏電流，滿足其中一條標準，試驗停止。VCE（sat）的測量相對其他已知的特征參量來說較容易，但受結(jié)溫和集電極電流影響較大，對于VCE（sat）的實時在線測量的研究也取得一定的成果，但測量電路較復雜，測量的準確性有待進一步提高。而結(jié)殼熱阻Rth（jc）的變化可以直接反應IGBT模塊焊料層老化情況，需要精確獲得模塊內(nèi)部芯片的結(jié)溫有一定難度，許多學者對于結(jié)溫的測量和預測也進行了相關研究［72］，取得了一定進展，但準確性方面有待進一步提高，而且模塊內(nèi)部熱耦合現(xiàn)象也給測量帶來一定誤差。文獻［73］論述了所監(jiān)測的先兆參數(shù)的前景，并列出了常見失效發(fā)生的失效指標變化的百分數(shù)，如表3所示。但也有文獻描述了不同的失效標準，例如VCE（sat）的變化有5%［5,74］、15%［4］、20%［47］。從以上文獻對失效指標的描述可以總結(jié)出：IGBT模塊老化失效先兆參量選擇是多樣的，以集射極飽和壓降和結(jié)到殼的熱阻作為特征量的文獻居多，因為其測量方法較多和測試精度相對較高，分別可以對鍵合線脫落和焊料層老化這兩種主要的失效現(xiàn)象進行監(jiān)測，并且可以實現(xiàn)在線實時監(jiān)測。而其他先兆參量的測量難度較大，精度不高，對硬件測試系統(tǒng)的要求更高。同時所有先兆參量的失效標準無法統(tǒng)一，僅知道其隨老化進程的變化趨勢，所以有必要對失效先兆參量做進一步研究。

表3 失效標準Tab.3 Failure criteria

1.3.5 試驗持續(xù)的時間

功率循環(huán)試驗過程中，當觀察到特征量達到失效標準，或發(fā)生明顯的失效時，試驗才停止，這段時間被稱為試驗持續(xù)時間，或失效時間。當封裝失效達到一定程度最終將會引起芯片失效，最終發(fā)生器件開路或短路，甚至燒毀，所以對試驗持續(xù)時間的把握顯得尤為重要。在不同試驗中，由于各文獻選用的IGBT模塊、實驗條件、試驗方法不同，所以試驗持續(xù)的時間也各不相同，少則幾十天，多則幾個月，功率循環(huán)次數(shù)也達幾萬次到幾十萬次［46］。如果在一般的功率循環(huán)試驗中使用熱電冷卻器，失效時間可以縮短20倍［75］。所以，為了實現(xiàn)增大器件溫度波動的幅度，或提高溫度上升和下降的速率，從而進一步加速器件的老化進程，研究者們提出了功率循環(huán)和熱循環(huán)相結(jié)合的方法。

1.3.6 加速老化試驗結(jié)果

老化試驗失效結(jié)果的分析主要通過掃描聲學顯微技術SAM（scanning acoustic microscope）、電子顯微技術SEM（scanning electron microscope）、X射線顯微技術等，用于分析半導體器件的封裝失效結(jié)果，文獻［60，24］列出了功率循環(huán)的老化失效結(jié)果，如圖6所示，同時，失效過程中可采用電氣測量的方法觀察狀態(tài)特征參量的變化趨勢。

圖6 老化失效結(jié)果舉例Fig.6 Examples of degradations

2 試驗方法對比

幾個典型加速老化試驗的比較如表4所示，由表可知：

表4 典型加速老化試驗對比Tab.4 Comparison of typical accelerated ageing tests

（1）功率循環(huán)加速老化試驗和熱循環(huán)加速老化試驗的共同點在于試驗條件都未超出IGBT器件的安全工作區(qū)，所以失效都屬于熱機械疲勞累積產(chǎn)生的封裝失效，國內(nèi)外的相關學者通過這兩種循環(huán)試驗研究IGBT模塊的封裝失效，即焊料層疲勞和鍵合引線老化的失效；

（2）這兩種試驗方法的差異在于壽命終止的失效機理不同，功率循環(huán)試驗解決的是焊接線脫落和芯片焊點疲勞問題，模塊內(nèi)部溫度是非一致性的，結(jié)溫高于殼溫和焊料層內(nèi)部溫度，熱傳播在整個模塊內(nèi)部形成溫度分布；熱循環(huán)試驗主要解決焊料層可靠性問題，整個模塊的溫度是一致的；

（3）功率循環(huán)試驗條件的定義要遠比熱循環(huán)試驗復雜，需考慮結(jié)溫波動、結(jié)溫最大值和最小值、平均溫度、加熱電流、加熱導通時間。

3 結(jié)論

（1）選擇合適的加速老化試驗控制策略，實現(xiàn)多個樣品同時老化，縮短老化進程。加速老化試驗控制策略的選擇，既要考慮器件的實際應用場合，使得更貼近系統(tǒng)的運行工況，又要考慮試驗過程中數(shù)據(jù)的提取點和后期的應用研究。大部分文獻對這一點考慮不足，無法達到預期的老化效果，對于這個難點仍需進一步對其深入研究。

（2）老化試驗平臺與數(shù)據(jù)測量平臺一體化，實現(xiàn)實時在線測量，減少實驗和測量誤差。由于老化特征參量隨老化進程變化微小，使得對特征參量的選取和測量的精度要求很高，盡管許多文獻提出各種可選的特征參量和測量方法，但仍有進一步挖掘和研究的空間。

（3）深入研究加速老化試驗對IGBT模塊的失效機理的影響。盡管文獻中對加速老化試驗的研究有一定進展，但對于IGBT模塊的失效機理仍未充分認識，多種失效機理相互影響，還需進一步通過合理的試驗設計方法進行分析和研究。只有充分了解各種失效機理，以及各種失效機理之間的相互影響，才能更好地實現(xiàn)IGBT模塊在實際運行中的狀態(tài)監(jiān)測。

（4）針對具體的研究目標和后續(xù)的研究方向設計試驗方案。針對具體的研究目標選擇試驗控制策略和特征參量，數(shù)據(jù)的進一步處理是個關鍵，找到合適的可靠性評估方法，以及實現(xiàn)IGBT模塊在系統(tǒng)運行過程的狀態(tài)監(jiān)測，所以器件老化方法的研究是前期基礎，以便更好地為后續(xù)研究服務。

［1］Yang Shaoyong,Bryant A,Mawby P,et al.An industrybased survey of reliability in power electronic converters［J］.Industry Applications,IEEE Transactions on,2011, 47（3）:1441-1451.

［2］Busca C,Teodorescu R,Blaabjerg F,et al.An overview of the reliability prediction related aspects of high power IGBTs in wind power applications［J］.Microelectronics Reliability,2011,51（9）:1903-1907.

［3］Liu Jie,Henze N.Reliability consideration of low-power grid-tied inverter for photovoltaic application［C］.24thEuropean Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition,Hamburg,Germany,2009:21-25.

［4］Xiong Yali,Cheng Xu,Shen Z J,et al.Prognostic and warning system for power-electronic modules in electric, hybrid electric,and fuel-cell vehicles［J］.Industrial Electronics,IEEE Transactions on,2008,55（6）:2268-2276.

［5］Held M,Jacob P,Nicoletti G,et al.Fast power cycling test of IGBT modules in traction application［C］.Power Electronics and Drive Systems,1997 International Conference on.IEEE,1997,1:425-430.

［6］周雒維,吳軍科,杜雄,等.功率變流器的可靠性研究現(xiàn)狀及展望［J］.電源學報,2013,11（1）:1-15.Zhou Luowei,Wu Junke,Du Xiong,et al.Status and outlook of power converter’s reliability research［J］.Journal of Power Supply,2013,11（1）:1-15（in Chinese）.

［7］蘇平,張靠社.基于主動式IGBT型Crowbar的雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)LVRT仿真研究［J］.電力系統(tǒng)保護與控制,2010,38（23）:164-171.Su Ping,Zhang Kaoshe.Simulation research for LVRT of DFIG with active IGBT Crowbar［J］.Power System Protection and Control,2010,38（23）:164-171（in Chinese）.

［8］Song Yantao,Wang Bingsen.Survey on reliability of power electronic systems［J］.Power Electronics,IEEE Transactions on,2013,28（1）:591-604.

［9］Ristow A,Begovic M,Pregelj A,et al.Development of a methodology for improving photovoltaic inverter reliability［J］.Industrial Electronics,IEEE Transactions on,2008, 55（7）:2581-2592.

［10］IEC.Semiconductor devices-mechanical and clinatic testmethods,part 34:power cycling,editiion 2.0:IEC60749-34［S］.Geneva,Switzerland,2010.

［11］IEC.Environmental test-part 2-14:tests-test N:change of temperature,edition 6.0:IEC60068-2-14［S］.Geneva,Switzerland,2009.

［12］JEDEC.Power and temperature cycling:JESD22-A105C［S］.Arlington,VA,2011.

［13］JEDEC.Power cycling:JESD22-A122［S］.Arlington,VA, 2007.

［14］Grant D A,Gowar J.Power MOSFET-theory and applications［M］.New Yhork:Wiley,1989.

［15］Fabis P M,Shum D,Windischmann H.Thermal modeling of diamond-based power electronics packaging［C］.Semiconductor Thermal Measurement and Management Symposium,1999.Fifteenth Annual IEEE.IEEE,1999:98-104.

［16］Bayerer R,Herrmann T,Licht T,et al.Model for power cycling lifetime of IGBT modules-various factors influencing lifetime［C］.Integrated Power Systems（CIPS）,2008 5th International Conference on.VDE,2008:1-6.

［17］陳循,張春華,汪亞順,等.加速壽命試驗技術與應用［M］.北京:國防工業(yè)出版社,2013.

［18］Berg H,Wolfgang E.Advanced IGBT modules for railway traction applications:Reliability testing［J］.Microelectronics Reliability,1998,38（6）:1319-1323.

［19］Herrmann T,Feller M,Lutz J,et al.Power cycling induced failure mechanisms in solder layers［C］.Proceedings EPE, 2007:1-7.

［20］Mermet-Guyennet M,Perpiná X,Piton M.Revisiting power cycling test for better life-time prediction in traction［J］.Microelectronics Reliability,2007,47（9）:1690-1695.

［21］Amro R A.Packaging and interconnection technologies of power devices,challenges and future trends［J］.World A-cademy of Science,Engineering and Technology,2009, 49:691-694.

［22］Smet V,Forest F,Huselstein J J,et al.Ageing and failure modes of IGBT modules in high-temperature power cycling［J］.Industrial Electronics,IEEE Transactions on,2011, 58（10）:4931-4941.

［23］Patil N,Das D,Yin C,et al.A fusion approach to IGBT power module prognostics［C］.Thermal,Mechanical and Multi-Physics simulation and Experiments in Microelectronics and Microsystems,2009,EuroSimE 2009,10th International Conference on,IEEE,2009:1-5.

［24］Ciappa M.Selected failure mechanisms of modern power modules［J］.Microelectronics reliability,2002,42（4）:653-667.

［25］Patil N,Celaya J,Das D,et al.Precursor parameter identification for insulated gate bipolar transistor（IGBT）prognostics［J］.Reliability,IEEE Transactions on,2009,58（2）:271-276.

［26］Amro R,Lutz J,Rudzki J,et al.Power cycling at high temperature swings of modules with low temperature joining technique［C］.Power Semiconductor Devices and IC's, 2006.ISPSD 2006,IEEE International Symposium on, IEEE,2006:1-4.

［27］Hamidi A,Beck N,Thomas K,et al.Reliability and lifetime evaluation of different wire bonding technologies for high power IGBT modules［J］.Microelectronics Reliability, 1999,39（6）:1153-1158.

［28］Morozumi A,Yamada K,Miyasaka T,et al.Reliability of power cycling for IGBT power semiconductor modules［J］.Industry Applications,IEEE Transactions on,2003,39（3）:665-671.

［29］張東江,仇志凌,陳天錦,等.并聯(lián)并網(wǎng)變流器的容錯不平衡控制［J］.電力系統(tǒng)保護與控制,2011,39（10）:90-96.Zhang Dongjiang,Qiu Zhiling,Chen Tianjin,et al.Faulttolerant unbalanced control of the parallel grid connected converter［J］.Power System Protection and Control,2011, 39（10）:90-96（in Chinese）.

［30］李爽,王志新,吳杰.采用基頻零序分量注入的MMC換流器故障容錯控制研究［J］.電力系統(tǒng)保護與控制,2014,42（17）:1-7.Li Shuang,Wang Zhixin,Wu Jie.Study on fault-tolerant operation control strategy of modular multilevel converters injected with fundamental-frequency zero-sequence voltage component［J］.Power System Protection and Control,2014, 42（17）:1-7（in Chinese）.

［31］Yang Shaoyong,Xiang Dawei,Bryant A,et al.Condition monitoring for device reliability in power electronic converters:a review［J］.Power Electronics,IEEE Transactions on,2010,25（11）:2734-2752.

［32］Watanabe A,Tsukuda M,Omura I.Real time degradation monitoring system for high power IGBT module under power cycling test［J］.Microelectronics Reliability,2013, 53（9）:1692-1696.

［33］Huang Hui,Mawby P A.A lifetime estimation technique for voltage source inverters［J］.Power Electronics,IEEE Transactions on,2013,28（8）:4113-4119.

［34］張勝紅,王國忠,程兆年.電子封裝功率模塊PbSnAg焊層熱循環(huán)可靠性［J］.中國有色金屬學報,2001,11（1）:120-124.Zhang Shenghong,Wang Guozhong,Cheng Zhaonian.Reliability of PbSnAg solder layer of power modules under thermal cycling in electronic packaging［J］.The Chinese Journal of Nonferrous Metals,2001,11（1）:120-124（in Chinese）.

［35］Berg H,Wolfgang E.Advanced IGBT modules for railway traction applications:Reliability testing［J］.Microelectronics Reliability,1998,38（6）:1319-1323.

［36］Hung T Y,Huang C J,Lee C C,et al.Investigation of solder crack behavior and fatigue life of the power module on different thermal cycling period［J］.Microelectronic Engineering,2013,107:125-129.

［37］Bouarroudj M,Khatir Z,Ousten J P,et al.Temperaturelevel effect on solder lifetime during thermal cycling of power modules［J］.Device and Materials Reliability,IEEE Transactions on,2008,8（3）:471-477.

［38］Nishimura Y,Oonishi K,Morozumi A,et al.All lead free IGBT module with excellent reliability［C］.Power Semiconductor Devices and ICs,2005,Proceedings.ISPSD'05,the 17th International Symposium on,IEEE,2005:79-82.

［39］Oukaour A,Tala-Ighil B,Pouderoux B,et al.Ageing defect detection on IGBT power modules by artificial training methods based on pattern recognition［J］.Microelectronics Reliability,2011,51（2）:386-391.

［40］Coquery G,Lallemand R.Failure criteria for long term Accelerated Power Cycling Test linked to electrical turn off SOA on IGBT module.A 4 000 hours test on 1 200 A–3300V module with AlSiC base plate［J］.Microelectronics reliability,2000,40（8）:1665-1670.

［41］Benavides N D,McCoy T J,Chrin M A.Reliability improvements in integrated power systems with pressure-contact semiconductors［J］.Proc.ASNE Day,2009.

［42］Musallam M,Johnson C M.Real-time compact thermal models for health management of power electronics［J］.Power Electronics,IEEE Transactions on,2010,25（6）:1416-1425.

［43］Coquery G,Lefranc G,Licht T,et al.High temperature reliability on automotive power modules verified by power cycling tests up to 150℃［J］.Microelectronics reliability, 2003,43（9-11）:1871-1876.

［44］Lefranc G,Licht T,Schultz H J,et al.Reliability testing of high-power multi-chip IGBT modules［J］.Microelectronics reliability,2000,40（8）:1659-1663.

［45］Schuler S,Scheuermann U.Impact of test control strategy on power cycling lifetime［C］.Proc.PCIM,2010.

［46］Scheuermann U,Schuler S.Power cycling results for different control strategies［J］.Microelectronics Reliability,2010, 50（9）:1203-1209.

［47］Sankaran V A,Chen C,Avant C S,et al.Power cycling reliability of IGBT power modules［C］.Industry Applications Conference,1997,Thirty-Second IAS Annual Meeting,IAS'97.,Conference Record of the 1997 IEEE.IEEE, 1997,2:1222-1227.

［48］Tounsi M,Oukaour A,Tala-Ighil B,et al.Characterization of high-voltage IGBT module degradations under PWM power cycling test at high ambient temperature［J］.Microelectronics Reliability,2010,50（9）:1810-1814.

［49］Vichare N M,Pecht M G.Prognostics and health management of electronics［J］.Components and Packaging Technologies,IEEE Transactions on,2006,29（1）:222-229.

［50］Patil N,Das D,Goebel K,et al.Identification of failure precursor parameters for insulated gate bipolar transistors（IGBTs）［C］.Prognostics and Health Management,2008, PHM 2008,International Conference on,IEEE,2008:1-5.

［51］Ryan M J.Method and apparatus for power electronics health monitoring:U.S.Patent 6,405,154［P］.2002-6-11.

［52］Brown D W,Abbas M,Ginart A,et al.Turn-off time as an early indicator of insulated gate bipolar transistor latch-up［J］.Power Electronics,IEEE Transactions on,2012,27（2）:479-489.

［53］Zhou Shengqi,Zhou Luowei，Sun Pengju.Monitoring potential defects in an IGBT module based on the dynamic changes ofgatecurrent［J］.IEEE Transactions on Power Electronics,2013,28（3）：1479-1487.

［54］周雒維,周生奇,孫鵬菊.基于雜散參數(shù)辨識IGBT模塊內(nèi)部缺陷診斷方法［J］.電工技術學報,2012,27（5）:156 -164.Zhou Luowei,Zhou Shengqi,Sun Pengju.Diagnostic method for internal defects of IGBTs base on stray parameter identification［J］.Transactions of China Electrotechnical Society,2012,27（5）:156-164（in Chinese）.

［55］周生奇,周雒維,孫鵬菊,等.基于頻率響應的IGBT模塊內(nèi)部缺陷診斷［J］.高電壓技術,2013,39（11）:2670-2677.Zhou Shengqi,Zhou Luowei,Sun Pengju,et al.Internal defects diagnosis of IGBT module based on frequency respons［J］.High Voltage Engineering,2013,39（11）:2670-2677（in Chinese）.

［56］周生奇,周雒維,孫鵬菊,等.小波相關分析在IGBT模塊缺陷診斷中的應用［J］.電機與控制學報,2012,16（12）:36-41.Zhou Shengqi,Zhou Luowei,Sun Pengju,et al.Application of wavelet correlation analysis in defect diagnosis of IGBT module［J］.Electric Machines and Control,2012,16（12）:36-41（in Chinese）.

［57］沈剛,周雒維,杜雄,等.基于小波奇異熵理論的IGBT模塊鍵合線脫落故障特征分析［J］.電工技術學報,2013,28（6）:165-171.Shen Gang,Zhou Luowei,Du Xiong,et al.Characteristics analysis of IGBT module with bond wire lift-off based on wavelet singular entropy theory［J］.Transactions of China Electrotechnical Society,2013,28（6）:165-171（in Chinese）.

［58］Wei Kexin,Du Mingxing,Xie Linlin,et al.Study of bonding wire failure effects on external measurable signals of IGBT module［J］.IEEE Transactions on Device and Materials Reliability,2012,14（1）:83-89.

［59］Du Mingxing,Wei Kexin,Li Jian,et al.Condition monitoring IGBT module bond wire lift-off using measurable signals［C］.International Power Electronics and Motion Control Conference（IPEMC）,2012（2）:1492-1496.

［60］Smet V,Forest F,Huselstein J,et al.Evaluation of monitoring as a real-time method to estimate aging of bond wire-IGBT modules stressed by power cycling［J］.Industrial Electronics,IEEE Transactions on,2013,60（7）:2760-2770.

［61］Ji Bing,Pickert V,Zahawi B,et al.In-situ bond wire health monitoring circuit for IGBT power modules［C］.Power Electronics,Machines and Drives（PEMD 2012）, 6th IET International Conference on,IET,2012:1-6.

［62］Patil N,Das D,Pecht M.A prognostic approach for nonpunch through and field stop IGBTs［J］.Microelectronics Reliability,2012,52（3）:482-488.

［63］Ghimire P,Beczkowski S,Munk-Nielsen S,et al.A review on real time physical measurement techniques and their attempt to predict wear-out status of IGBT［C］.Power Electronics and Applications（EPE）,2013 15th European Conference on,IEEE,2013:1-10.

［64］Ji Bing,Pickert V,Cao W,et al.In Situ diagnostics and prognostics of wire bonding faults in IGBT modules for electric vehicle drives［J］.Power Electronics,IEEE Transactions on,2013,28（12）:5568-5577.

［65］Anderson J M,Cox R W.On-line condition monitoring for MOSFET and IGBT switches in digitally controlled drives［C］.Energy Conversion Congress and Exposition（ECCE）, 2011 IEEE,IEEE,2011:3920-3927.

［66］Beczkowski S,Ghimre P,De Vega A R,et al.Online Vce measurement method for wear-out monitoring of high power IGBT modules［C］.Power Electronics and Applications（EPE）,2013 15th European Conference on,IEEE,2013:1-7.

［67］Cao Xiao,Wang Tao,Ngo K D T,et al.Characterization of lead-free solder and sintered nano-silver die-attach layers using thermal impedance［J］.Components,Packaging and Manufacturing Technology,IEEE Transactions on,2011,1（4）:495-501.

［68］Ji Bing,Song Xueguan,Cao Wenping,et al.In-situ diagnostics and prognostics of solder fatigue in IGBT modules for electric vehicle drives［J］.Power Electronics,IEEE Transactions on,2015,30（3）:1535-1542.

［69］Katsis D C,Van Wyk J D.Void-induced thermal impedance in power semiconductor modules:some transient temperature effects［J］.Industry Applications,IEEE Transactions on,2003,39（5）:1239-1246.

［70］Ji B,Pickert V,Cao W P,et al.Onboard condition monitoring of solder fatigue in IGBT power modules［C］.Diag-nostics for Electric Machines,Power Electronics and Drives（SDEMPED）,2013 9th IEEE International Symposium on,IEEE,2013:9-15.

［71］Hamidi A,Beck N,Thomas K,et al.Reliability and lifetime evaluation of different wire bonding technologies for high power IGBT modules［J］.Microelectronics Reliability, 1999,39（6）:1153-1158.

［72］Blackburn D L.Temperature measurements of semiconductor devices-a review［C］.Twentieth Annual IEEE Semiconductor Thermal Measurement and Management Symposium, 2004,70.

［73］Beutel A A.A novel test method for minimising energy costs in IGBT power cycling studies［D］.Faculty of Engineering and the Built Environment,University of the Witwatersrand,2006.

［74］James P,Forsyth A.Accelerated testing of IGBT power modules to determine time to failure［C］.Power Electronics,Machines and Drives（PEMD 2010）,5th IET International Conference on,IET,2010:1-4.

［75］唐勇,汪波,陳明,等.高溫下的IGBT可靠性與在線評估［J］.電工技術學報,2014,29（6）:17-23.Tang Yong,Wang Bo,Chen Ming,et al.Reliability and on-line evaluation of IGBT modules under high temperature［J］.Transactions of China Electrotechnical Society, 2014,29（6）:17-23（in Chinese）.

Review of Accelerated Aging Methods for IGBT Power Modules

LI Yaping1,2,ZHOU Luowei1,SUN Pengju1
（1.State Key Laboratory of Power Transmission Equipment and System Security and New Technology,Chongqing University,Chongqing 400044,China;2.College of Mechanical and Electronical Engineering, Shihezi University,Shihezi 832000,China）

Reliability of power converters and lifetime prediction has been a major topic of research.The applications of IGBT power modules became more and more widely in many fields.The main failures in high power semiconductor are caused by thermo-mechanical fatigure.However,the process of fatigure aging is very long in normal operation.Therefore,it needs to design acceleration test for shorten research cycle,in order to comprehensive observation,and explore the process of the aging fatigure failure.Thermal stress and electric stress imposed to devices are the two most common methods of aging,through thermal shock on devices the progress of the aging are accelerated.The literature review of the state-of-art of experiment purpose and difference of different tests for accelerated aging tests of IGBTs is generalized.and a comparison of power cycling tests based on operation conditions,failure modes,duration, test circuits design monitored electrical and thermal parameters is presented to develop generalized steps and problems in accelerated aging tests.At last,the outlook for accelerated aging methods rasearch of power modules is given.Which lays the foundation for failure mechanism analysis,reliability analysis,lifetime prediction,health state evaluation and condition of IGBT power modules and the whole converter systems.

reliability;power cycling;thermal cycling;accelerated aging;precursor indicators

李亞萍

李亞萍（1980-），女，博士研究生，講師，研究方向：功率變流器可靠性，E-mail：1015883488@qq.com。

周雒維（1954-），男，通信作者，博士，教授，博士生導師，研究方向：電力電子技術，電路原理，電能質(zhì)量分析與控制，可再生能源發(fā)電功率變流器可靠性，E-mail：zluowei@cqu.edu.cn

孫鵬菊（1982-），女，博士，副教授，研究方向：數(shù)字控制技術、變流器拓撲與控制，E-mail：spengju@cqu.edu.cn。

10.13234/j.issn.2095-2805.2016.6.122

TM46

A

2015-10-15

國家自然科學基金重點資助項目（51137006）

Project Supported by the State Key Program of National Natural Science of China（51137006）