龔 燦，孫鵬菊，杜 雄，王海波，彭英舟，周雒維

（重慶大學(xué)輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400044）

基于鍵合線壓降的IGBT模塊內(nèi)部缺陷監(jiān)測(cè)研究

龔 燦，孫鵬菊，杜 雄，王海波，彭英舟，周雒維

（重慶大學(xué)輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400044）

為了準(zhǔn)確地評(píng)估出IGBT模塊的健康水平，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并更換存在缺陷的IGBT模塊，提高功率變流器的可靠性，提出了一種基于鍵合線壓降的IGBT模塊內(nèi)部缺陷診斷方法。通過監(jiān)測(cè)IGBT模塊內(nèi)部單個(gè)芯片等效鍵合線壓降的變化，辨識(shí)出IGBT模塊內(nèi)鍵合線的老化狀態(tài)，進(jìn)而判斷出IGBT模塊的健康水平。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于鍵合線壓降的IGBT模塊內(nèi)部缺陷診斷方法能準(zhǔn)確地辨識(shí)出模塊內(nèi)鍵合線的老化過程，與采用監(jiān)測(cè)門極信號(hào)辨識(shí)模塊老化狀態(tài)的方法相比，所提方法不僅能辨識(shí)出單個(gè)芯片全部鍵合線脫落的情況，而且能辨識(shí)出部分鍵合線老化的情況，在辨識(shí)精度上有了很大的提高。該方法為確定合適的時(shí)機(jī)對(duì)變流器進(jìn)行維護(hù)、降低系統(tǒng)的維護(hù)成本提供了理論依據(jù)。

IGBT模塊；可靠性；鍵合線；電阻率溫度系數(shù)；狀態(tài)監(jiān)測(cè)

電力電子裝置因其高效、節(jié)能等特性，在很多領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。大功率IGBT模塊主要應(yīng)用在對(duì)可靠性要求較高的機(jī)車牽引、電動(dòng)汽車、航空電源、可再生能源發(fā)電等領(lǐng)域［1］。這些領(lǐng)域的功率變流器有一個(gè)共同點(diǎn)就是需要處理隨機(jī)變化的功率，較大的功率波動(dòng)使得IGBT模塊承受不均衡的電熱應(yīng)力，導(dǎo)致模塊內(nèi)部出現(xiàn)疲勞損傷［2］。根據(jù)疲勞累積損傷原理，隨著模塊使用時(shí)間的增加，IGBT模塊內(nèi)部缺陷越來越嚴(yán)重，使模塊的健康水平越來越低［3］。為了提高變流器系統(tǒng)的可靠性，可以通過溫敏參數(shù)法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)芯片的平均結(jié)溫及時(shí)對(duì)IG-BT模塊進(jìn)行保護(hù)［4］，也可以通過估算IGBT工作過程中結(jié)溫的波動(dòng)，對(duì)變流器的可靠性進(jìn)行評(píng)估［5,6］，但這些方法都不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在缺陷的IGBT模塊。而存在缺陷的IGBT模塊突然失效可能給系統(tǒng)帶來災(zāi)難性的后果，因此，IGBT的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)越來越受到重視［7］。通過在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并更換存在缺陷的IGBT模塊，不但可以提高系統(tǒng)的可靠性，而且可以降低系統(tǒng)的維護(hù)成本。

根據(jù)不同的需求，市場(chǎng)上主要有2種不同封裝形式的IGBT模塊，分別是普通塑封IGBT模塊和壓接式IGBT模塊。普通塑封IGBT模塊采用鍵合線連接方式將芯片與芯片、芯片與DBC（direct bonding copper）板銅面連接起來，該方法具有靈活、簡單、便宜等優(yōu)點(diǎn)，在市場(chǎng)上得到了廣泛的應(yīng)用，本文主要針對(duì)這種普通塑封模塊進(jìn)行分析研究。普通塑封IGBT模塊由多層不同材料組成，不同的材料具有不同的熱膨脹系數(shù)CTE（coefficient of thermal expansion）［8,9］。研究發(fā)現(xiàn)，功率循環(huán)使模塊內(nèi)部焊料層出現(xiàn)裂紋和鍵合線斷裂、脫落，最終導(dǎo)致功率器件失效是IGBT模塊失效的主要原因［10］。鍵合線脫落、斷裂等缺陷將導(dǎo)致模塊內(nèi)的寄生參數(shù)發(fā)生變化，這些寄生參數(shù)的變化主要反映為飽和壓降的增加、模塊穩(wěn)態(tài)熱阻的增加、門極電壓和門極電流的變化等［11］。

目前，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)普通塑封型IGBT模塊狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)的研究，但還處于起步階段［12］。隨著IGBT模塊老化進(jìn)程的加深，其飽和壓降隨之增加，因此可以用飽和壓降來判斷IGBT的老化狀態(tài)［13-15］，這也是目前狀態(tài)監(jiān)測(cè)研究中較多采用的方法。但I(xiàn)GBT模塊的飽和壓降與集電極電流、芯片結(jié)溫呈非線性關(guān)系，需要在特定的條件下對(duì)IGBT模塊進(jìn)行測(cè)試，這增加了狀態(tài)監(jiān)測(cè)的難度。另外，該方法是通過設(shè)定閾值的方式對(duì)模塊進(jìn)行好與壞的判斷，不能反映出IGBT模塊內(nèi)部缺陷狀態(tài)及更多關(guān)于健康水平的信息。文獻(xiàn)［12］指出通過監(jiān)測(cè)穩(wěn)態(tài)熱阻的變化，可以用來判斷IGBT模塊的好壞，但該方法與監(jiān)測(cè)飽和壓降一樣，通過設(shè)定失效門檻值進(jìn)行判斷，不能反映出更多關(guān)于IGBT健康水平的信息。文獻(xiàn)［16］介紹了渦流脈沖熱成像技術(shù)用來監(jiān)測(cè)IGBT鍵合線脫落情況，該方法需要很專業(yè)的測(cè)試設(shè)備，較難在實(shí)際變流器中應(yīng)用。文獻(xiàn)［17,18］研究了門極電壓和電流信號(hào)的變化與IGBT模塊健康水平的關(guān)系，研究表明，只有在多芯片并聯(lián)模塊中，某一芯片損壞或者該芯片上全部鍵合線脫落后，門極電壓和電流信號(hào)才有明顯的變化，無法對(duì)部分鍵合線脫落的情況進(jìn)行辨識(shí)和監(jiān)測(cè)。文獻(xiàn)［19］在每片芯片發(fā)射極處各連接一個(gè)低值電阻，多只電阻的另一端連接在一起，當(dāng)某片芯片上的鍵合線全部脫落后，在電阻的公共端處將出現(xiàn)一個(gè)電信號(hào)，用于判斷IGBT模塊鍵合線的脫落情況。該方法實(shí)現(xiàn)起來比較簡單，但是和監(jiān)測(cè)門極信號(hào)一樣，只能監(jiān)測(cè)芯片上全部鍵合線脫落的情況。

模塊內(nèi)部鍵合線的脫落狀態(tài)直接反映了IGBT模塊的健康水平。為此，本文針對(duì)大功率變流器，提出了一種基于鍵合線壓降的IGBT模塊內(nèi)部缺陷狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法，同時(shí)監(jiān)測(cè)單個(gè)芯片發(fā)射極與DBC板銅面之間的等效鍵合線壓降、IGBT模塊的集電極電流以及模塊內(nèi)部鍵合線的平均溫度，利用鍵合線的狀態(tài)評(píng)估模型，估算出IGBT模塊鍵合線的狀態(tài)，進(jìn)而評(píng)估出IGBT模塊的健康水平，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的正確性。

1 IGBT失效機(jī)理以及寄生參數(shù)變化

普通塑封IGBT模塊內(nèi)芯片與芯片，芯片與DBC板銅面之間的電氣連接通常是依靠鍵合線來實(shí)現(xiàn)的。目前，普通塑封IGBT模塊內(nèi)部通常使用鋁線（Al）或者鋁合金（Al/1%Mg、Al/1%Si）作為鍵合線［20］。IGBT模塊由多層熱膨脹系數(shù)不同的材料組成，其結(jié)構(gòu)和相應(yīng)材料的熱膨脹系數(shù)如圖1所示。

在實(shí)際工作過程中，由于IGBT芯片結(jié)溫波動(dòng)，使得兩種不同材料的連接處反復(fù)受到熱機(jī)械應(yīng)力的沖擊。當(dāng)溫度波動(dòng)幅值ΔT較大，且材料的熱膨脹系數(shù)差較大時(shí)，連接處的總應(yīng)變?chǔ)舤ot很大，處于深度塑性應(yīng)變區(qū)域，當(dāng)外力撤銷后，塑性應(yīng)變不能消失［21］。從圖1可以看出，鋁鍵合線與硅芯片、硅芯片與焊料層的熱膨脹系數(shù)差非常大。因此，當(dāng)有較大溫度波動(dòng)時(shí)，鍵合線與芯片、芯片與焊料層的連接處將受到很大的熱機(jī)械應(yīng)力的沖擊，最終使鍵合線出現(xiàn)脫落、斷裂以及焊料層出現(xiàn)裂紋，這是普通塑封IGBT模塊老化失效的主要模式［22］。常見的鍵合線脫落或斷裂如圖2所示。

圖1 IGBT模塊結(jié)構(gòu)以及熱膨脹系數(shù)Fig.1 Structure of IGBT module and coefficient of thermal expansion

圖2 鍵合線脫落與斷裂Fig.2 Bond wires liftoff and crack

當(dāng)IGBT部分鍵合線斷裂后，模塊不會(huì)立即損壞，仍能繼續(xù)正常工作，但由于部分鍵合線脫落，剩余可用鍵合線在正常工作時(shí)將承受更大的電流，這使得IGBT模塊的健康水平下降，失效的概率增大。隨著變流器工作時(shí)間的增加，脫落的鍵合線越來越多，IGBT模塊的健康水平也越來越低，最終將導(dǎo)致模塊失效。當(dāng)IGBT模塊芯片上的鍵合線出現(xiàn)斷裂、脫落等缺陷，單個(gè)芯片發(fā)射極與DBC板銅面之間鍵合線的等效電阻將變大，使得鍵合線上的等效電壓降增大。因此，本文提出可通過監(jiān)測(cè)鍵合線上的等效電壓降，估算出模塊內(nèi)部鍵合線的狀態(tài)，判斷出模塊的健康水平，從而指導(dǎo)變流器的檢修及維護(hù)工作，提高變流器的可靠性。

本文以一個(gè)1 200 V/75 A的IGBT模塊（型號(hào)為MMG75S120B6HN）為例，詳細(xì)介紹了IGBT模塊內(nèi)部缺陷的評(píng)估方法，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的正確性。該型號(hào)IGBT開封模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及等效電路如圖3所示，模塊內(nèi)部由IGBT芯片和反并聯(lián)的二極管芯片組成。IGBT由2組并聯(lián)的IGBT芯片組成，每組并聯(lián)的IGBT芯片與DBC板銅面之間由3根并聯(lián)的鋁鍵合線實(shí)現(xiàn)電氣連接。

圖3 開封IGBT模塊結(jié)構(gòu)及其等效電路Fig.3 Structure of opened IGBT module and the equivalent circuit

2 IGBT模塊內(nèi)部鍵合線狀態(tài)評(píng)估方

2.1 IGBT模塊內(nèi)部鍵合線狀態(tài)評(píng)估模型

長期運(yùn)行的變流器由于環(huán)境和負(fù)載的變化，芯片的結(jié)溫不斷波動(dòng)，使得芯片發(fā)射極與DBC板銅面之間的部分鍵合線發(fā)生脫落、斷裂，因此可以用模塊內(nèi)部剩余可用鍵合線的數(shù)量來判斷IGBT模塊的健康水平。

IGBT模塊內(nèi)部鍵合線的寄生電阻和電感如圖3（b）所示。鍵合線脫落導(dǎo)致ab兩端的鍵合線等效阻抗發(fā)生變化，通過測(cè)量單個(gè)芯片等效鍵合線壓降uab的大小，可以推算出脫落鍵合線的數(shù)量。

芯片發(fā)射極與DBC板銅面之間鍵合線等效阻抗的電壓降可以表示為

式中：iC為芯片集電極電流。當(dāng)diC/dt=0時(shí)，a、b兩點(diǎn)間的電壓uab不受電感的影響，只與模塊內(nèi)部鍵合線的等效電阻Rab有關(guān)。

本文利用IGBT模塊單個(gè)芯片上剩余可用鍵合線數(shù)量N與初始鍵合線數(shù)量N0之比λ作為反映IGBT模塊健康水平的參數(shù)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

根據(jù)金屬導(dǎo)線的電阻公式，當(dāng)鍵合線溫度為t時(shí)，芯片發(fā)射極與DBC板銅面之間鍵合線的等效電阻可表示為

式中：αT為參考溫度為T時(shí)的電阻率溫度系數(shù)；ρT為參考溫度T時(shí)的電阻率；l為鍵合線的長度；s為單根鍵合線的橫截面積；N為單個(gè)芯片上可用鍵合線的數(shù)量。

根據(jù)電阻的伏安特性，當(dāng)鍵合線溫度為t、n個(gè)并聯(lián)IGBT芯片均流時(shí)，ab兩端等效電阻的計(jì)算公式為

式中：It為在鍵合線溫度為t時(shí)IGBT模塊的集電極電流；Uab（t）為鍵合線溫度為t時(shí)測(cè)得的單個(gè)芯片發(fā)射極與DBC板銅面之間的電壓。

式（3）、式（4）均為計(jì)算鍵合線等效電阻的公式，是等價(jià)的，因此有

根據(jù)式（5）可知，新IGBT模塊在參考溫度T時(shí)滿足等式

式中：Uab（T）為在參考溫度為T、IGBT模塊的集電極電流為IT時(shí)，單個(gè)芯片的等效鍵合線壓降。Uab（T）、IT、T需要在新模塊時(shí)確定，其中IT、T的具體數(shù)值可以根據(jù)實(shí)際情況任意選取。

化簡式（2）、式（5）、式（6），可以得到反映IGBT模塊健康水平的參數(shù)λ即

依據(jù)式（2）和式（7），IGBT模塊內(nèi)部剩余可用鍵合線的數(shù)量可表示為

隨著模塊的老化，芯片上的鍵合線逐漸斷裂、脫落，則模塊內(nèi)部剩余可用鍵合線數(shù)量N將逐漸減小。

2.2 IGBT模塊內(nèi)部鍵合線狀態(tài)評(píng)估流程

依據(jù)IGBT模塊內(nèi)部鍵合線狀態(tài)評(píng)估模型，用鍵合線的老化狀態(tài)來反映模塊的內(nèi)部缺陷情況，對(duì)IGBT模塊的健康水平進(jìn)行評(píng)估，評(píng)估流程如圖4所示。

圖4 IGBT模塊健康水平評(píng)估流程Fig.4 Assessment process of health level of IGBT modules

新模塊初始數(shù)據(jù)為待評(píng)估IGBT模塊在沒有內(nèi)部缺陷時(shí)測(cè)得的相關(guān)數(shù)據(jù)，包括單個(gè)芯片發(fā)射極與DBC板銅面之間在參考溫度為T時(shí)的等效鍵合線壓降Uab（T）、測(cè)試等效鍵合線壓降時(shí)IGBT模塊的集電極電流IT以及鍵合線溫度T。模塊封裝參數(shù)為鍵合線的電阻率溫度系數(shù)，其值與鍵合線材料以及選取的參考溫度T有關(guān)。缺陷模塊測(cè)試數(shù)據(jù)為待評(píng)估降級(jí)IGBT模塊的相關(guān)數(shù)據(jù)，包括單個(gè)芯片的等效鍵合線壓降Uab（t）、測(cè)試等效鍵合線壓降時(shí)IGBT模塊的集電極電流It以及鍵合線溫度t，測(cè)試數(shù)據(jù)反映了降級(jí)模塊內(nèi)部寄生參數(shù)的相關(guān)信息。鍵合線與IGBT芯片連接在一起，因此，在對(duì)降級(jí)IGBT模塊健康水平進(jìn)行評(píng)估時(shí)，可用IGBT芯片的平均結(jié)溫做為鍵合線的溫度，芯片的平均結(jié)溫可以用溫敏參數(shù)法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)得到。

隨著IGBT模塊老化，其模塊內(nèi)部的寄生參數(shù)發(fā)生變化，將導(dǎo)致降級(jí)IGBT模塊評(píng)估過程中測(cè)試所得的數(shù)據(jù)與新模塊在相同條件下測(cè)試所得的數(shù)據(jù)有所不同。因此，將新模塊初始數(shù)據(jù)、模塊封裝參數(shù)和缺陷模塊測(cè)試數(shù)據(jù)共同輸入IGBT模塊鍵合線狀態(tài)評(píng)估模型中，就可以準(zhǔn)確地估算出IGBT模塊中鍵合線的老化狀態(tài)，從而指導(dǎo)功率變流器的維護(hù)工作。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)原理介紹

為驗(yàn)證前面所提出的方法的正確性，本文采用如圖5所示的實(shí)驗(yàn)電路進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)，電感L表示回路導(dǎo)線的寄生電感。將IGBT模塊放入恒溫箱中，設(shè)定恒溫箱的溫度，經(jīng)過一段時(shí)間后，IGBT模塊鍵合線的溫度就等于恒溫箱設(shè)定的溫度，然后調(diào)整恒流源的輸出電流，分別測(cè)量單個(gè)IGBT模塊芯片發(fā)射極與DBC板銅面之間的鍵合線壓降。驗(yàn)證步驟分兩步：首先測(cè)量鍵合線的電阻率溫度系數(shù)，驗(yàn)證溫度對(duì)單個(gè)芯片等效鍵合線壓降的影響；然后通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)，利用IGBT模塊剩余鍵合線數(shù)量計(jì)算模型，比較計(jì)算結(jié)果與實(shí)際值的差距。為方便實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比和驗(yàn)證，本文采用剪斷鍵合線的方式來模擬鍵合線脫落、斷裂故障，該方法得到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛應(yīng)用［17］。實(shí)驗(yàn)用的IGBT模塊單個(gè)芯片上初始鍵合線數(shù)量為3根，剪斷1根用作測(cè)量電壓信號(hào)使用，因此實(shí)際初始鍵合線數(shù)量N0=2。

圖5 實(shí)驗(yàn)原理Fig.5 Schematic diagram of experimental setup

實(shí)驗(yàn)過程中將IGBT導(dǎo)通控制信號(hào)設(shè)置為5 ms，IGBT模塊導(dǎo)通后，流過IGBT模塊的電流約等于恒流源設(shè)定的電流值。為了保證測(cè)量數(shù)據(jù)的精確性，實(shí)際流過IGBT模塊的電流值和單個(gè)芯片等效鍵合線壓降值都由高采樣率示波器（型號(hào)為TDS5104B，采樣率為5G）讀取。為了測(cè)量到單個(gè)芯片發(fā)射極與DBC板銅面之間等效鍵合線壓降，剪斷芯片發(fā)射極中間的一根鍵合線，做為等效鍵合線壓降的測(cè)量端子，實(shí)驗(yàn)波形如圖6所示。由于回路中電感的存在以及恒流源自身的特性，IGBT導(dǎo)通后在t0～t1時(shí)間段為振蕩期，在t1時(shí)刻，振蕩結(jié)束，記錄穩(wěn)定后對(duì)應(yīng)的電流、電壓以及恒溫箱的溫度。

圖6 實(shí)驗(yàn)波形Fig.6 Experimental waveforms

3.2 電阻率溫度系數(shù)的測(cè)量

金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度的變化而變化，由于不同廠家生產(chǎn)的IGBT模塊在封裝過程中使用的鍵合線材料有所不同，因此在對(duì)IGBT模塊健康水平進(jìn)行評(píng)估前，需要對(duì)IGBT模塊鍵合線的電阻率溫度系數(shù)進(jìn)行測(cè)量。首先在一特定的溫度條件下，對(duì)IGBT模塊通過不同的電流，記錄單個(gè)芯片上的等效鍵合線壓降，計(jì)算出單個(gè)芯片上鍵合線的等效電阻值。然后用相同的方法，測(cè)量鍵合線在不同溫度下的等效電阻值，本文選取測(cè)量了50℃、60℃、70℃、80℃、90℃、100℃、110℃時(shí)的鍵合線等效電阻值。測(cè)得的不同溫度下鍵合線等效電阻與溫度的關(guān)系如圖7中的圓點(diǎn)所示。

利用最小二乘法對(duì)單個(gè)芯片上的鍵合線等效電阻與溫度之間的關(guān)系進(jìn)行線性擬合，擬合關(guān)系如圖7中線條所示，則鍵合線等效電阻值Rab與鍵合線溫度t的關(guān)系為

其中，斜率K=0.009 847 64。在溫度為20℃時(shí)，等效電阻Rab（20）=2.294 33 mΩ，文獻(xiàn)［17］用Q3D軟件提取了富士公司生產(chǎn)的額定電流為150 A的IGBT模塊（MMG75S120B6HN）單個(gè)芯片鍵合線的等效電阻為2 mΩ，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較接近。結(jié)合式（3），則在20℃時(shí)鍵合線的電阻率溫度系數(shù)為

圖7 不同溫度下鍵合線的等效電阻Fig.7 Equivalent resistance of bond wires at different temperature

3.3 剩余鍵合線數(shù)量的評(píng)估

依據(jù)前文的測(cè)試方法，分別對(duì)電流為10、20、30、40、50、60 A，溫度為50℃、60℃、70℃、80℃、90℃、100℃、110℃所對(duì)應(yīng)的單個(gè)芯片等效鍵合線壓降進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)試數(shù)據(jù)如圖8所示。由圖可以看出，單個(gè)芯片等效鍵合線壓降隨著電流的增加、溫度的升高以及剩余鍵合線數(shù)量的減少而增大。

圖8 鍵合線壓降與電流、溫度的關(guān)系Fig.8 Relationship among bond wires voltage drop, current and temperature

依據(jù)式（7），用于評(píng)估IGBT模塊鍵合線健康狀態(tài)的參數(shù)值λ的參考值IT、T可以任意選取，本文中選取IT=10 A，T=50℃，根據(jù)式（9）、式（10）計(jì)算出鍵合線在50℃時(shí)的電阻率溫度系數(shù)為α50=0.003 8。將IT、T、Uab（T）、α50、N0以及實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的電壓Uab（t）、電流It和溫度t代入式（8）中，就可以得到估算出的剩余鍵合線數(shù)量在不同電流、不同溫度條件下的關(guān)系如圖9所示。

當(dāng)剩余鍵合線數(shù)量為2根時(shí)，計(jì)算得到的數(shù)值范圍為N∈［1.890,2.023］，將N四舍五入取整得到實(shí)際可用鍵合線數(shù)量為2；剩余1根鍵合線時(shí)，計(jì)算得到的數(shù)值范圍為N∈［0.972,1.070］，將N四舍五入取整得到實(shí)際可用鍵合線數(shù)量為1。在不同溫度、電流情況下對(duì)剩余鍵合線數(shù)量的評(píng)估結(jié)果與實(shí)際值相符合。

圖9 剩余鍵合線數(shù)量與電流、溫度的關(guān)系Fig.9 Relationship among number of bond wires,current and temperature

圖10 IGBT芯片并聯(lián)等效電路Fig.10 Equivalent circuit of parallel IGBT chips

4 誤差分析及結(jié)論推廣

4.1 多IGBT芯片并聯(lián)時(shí)的均流誤差

式（4）是一個(gè)理想公式，假定各并聯(lián)芯片均流。實(shí)際中多芯片并聯(lián)的IGBT模塊等效電路如圖10所示，其中R1、R2分別表示2個(gè)IGBT芯片的導(dǎo)通電阻，U1、U2分別表示芯片的擎住電壓，Z1、Z2分別表示不同芯片鍵合線的阻抗。隨著老化的進(jìn)行，每個(gè)芯片上脫落的鍵合線數(shù)量可能存在差異，使得Z1、Z2不相等。由于Z1、Z2本身非常小，因此即使芯片上脫落的鍵合線數(shù)量可能存在差異，Z1、Z2之間的差值相對(duì)芯片的導(dǎo)通電阻R要小很多。因此，較小的Z1與Z2的差異對(duì)I1、I2的影響基本可以忽略，文獻(xiàn)［23］也表明鍵合線電阻值的差異對(duì)多IGBT芯片并聯(lián)時(shí)的均流誤差影響很小。

4.2 飽和壓降測(cè)量點(diǎn)選取誤差

IGBT模塊鍵合線的壓降比較小，測(cè)量過程中，如果選取的測(cè)量點(diǎn)不同，測(cè)量誤差會(huì)對(duì)評(píng)估結(jié)果產(chǎn)生影響，因此，電壓測(cè)量點(diǎn)的選取對(duì)于提高評(píng)估結(jié)果的精度至關(guān)重要。

IGBT模塊導(dǎo)通后，電流從芯片發(fā)射極表面匯集到鍵合線處，經(jīng)過鍵合線流到模塊的DBC銅板上，最終從模塊DBC銅板流出。由于電流在芯片表面以及銅板上流動(dòng)，因此芯片表面和銅板不同點(diǎn)的電勢(shì)略有不同，其等效模型如圖11所示，實(shí)線表示電流流動(dòng)的方向，虛線表示等勢(shì)線，電勢(shì)沿電流流動(dòng)的方向逐漸降低。從圖中可以看出，芯片表面的電勢(shì)ψa5＞ψa4＞ψa2，DBC板銅面的電勢(shì)ψb3＞ψb2＞ψb1。因此，當(dāng)芯片發(fā)射極與DBC板銅面處選取的測(cè)量點(diǎn)不同，測(cè)得的結(jié)果將有所不同，而且當(dāng)部分鍵合線發(fā)生脫落時(shí)，芯片表面的電流分布將會(huì)發(fā)生變化，芯片表面的等勢(shì)線也會(huì)發(fā)生變化。為了測(cè)量更加準(zhǔn)確，應(yīng)將測(cè)量點(diǎn)盡可能地選取在中間靠近鍵合線焊接點(diǎn)處，例如，圖中的點(diǎn)a2和點(diǎn)b2。

圖11 芯片表面電位等效模型Fig.11 Equivalent model of the electric potential of chip surface

為驗(yàn)證上述分析，剪斷圖11中的鍵合線l1和l2，僅剩下鍵合線l3，分別選取a1、b1和a2、b2作為測(cè)量點(diǎn)。在室溫條件下，對(duì)不同電流時(shí)的單個(gè)芯片等效鍵合線壓降進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)量結(jié)果和線性擬合結(jié)果分別如圖12所示。從圖中可以看出，在相同電流情況下，不同測(cè)量點(diǎn)測(cè)得的鍵合線壓降有所不同，距離鍵合線焊接點(diǎn)越近的測(cè)量點(diǎn)測(cè)得的結(jié)果越小，且越接近鍵合線的壓降，與前述理論分析相符合。因此在實(shí)際測(cè)量時(shí)，應(yīng)考慮測(cè)量點(diǎn)的選取對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。文中第3節(jié)的相關(guān)數(shù)據(jù)也是以a2、b2作為測(cè)量點(diǎn)而測(cè)試得到的。

IGBT模塊鍵合線的壓降比較小，測(cè)量過程中，如果選取的測(cè)量點(diǎn)不同，測(cè)量誤差會(huì)對(duì)評(píng)估結(jié)果產(chǎn)生影響，因此，電壓測(cè)量點(diǎn)的選取對(duì)于提高評(píng)估結(jié)果的精度至關(guān)重要。

圖12 不同測(cè)量點(diǎn)測(cè)得的鍵合線壓降Fig.12 Bond wires voltage drop at different measure points

4.3 結(jié)論推廣

IGBT模塊在實(shí)際工作中，其老化過程是一個(gè)漸進(jìn)而漫長的過程，鍵合線與芯片的焊接點(diǎn)處不斷受到熱機(jī)械應(yīng)力的反復(fù)沖擊。長期的熱機(jī)械應(yīng)力反復(fù)沖擊使得鍵合線與芯片的焊接點(diǎn)處經(jīng)歷出現(xiàn)裂痕、裂痕擴(kuò)大、最終鍵合線脫落的過程。在此老化過程中，鍵合線不會(huì)直接斷裂，但是鍵合線與芯片連接處的接觸電阻會(huì)逐漸增大。因此，采用文中所述方法評(píng)估出的IGBT模塊內(nèi)部剩余可用鍵合線的數(shù)量并不是真正的剩余數(shù)量，而是等效的可用數(shù)量。因此，為實(shí)現(xiàn)對(duì)老化過程中IGBT模塊的鍵合線進(jìn)行狀態(tài)評(píng)估，可對(duì)鍵合線狀態(tài)評(píng)估模型進(jìn)行推廣。

假設(shè)新IGBT模塊內(nèi)部每根鍵合線由m（m→∞）根截面積非常小的鋁線并聯(lián)組成，如圖13所示，當(dāng)單個(gè)芯片上的鍵合線數(shù)量為N0時(shí)，芯片發(fā)射極與DBC板銅面之間視為由N0×m根鋁線連接而成。在老化進(jìn)程中，可以看作是截面積非常小的鋁線隨機(jī)斷裂的過程，剩余鋁線的數(shù)量越多，說明IGBT模塊的健康水平越高。因此，根據(jù)第2節(jié)的推導(dǎo)，這些截面積非常小的鋁線的剩余數(shù)量與初始鋁線的數(shù)量之比可以用式（7）來計(jì)算，就能評(píng)估出實(shí)際老化IGBT模塊內(nèi)部鍵合線的狀態(tài)。

圖13 鍵合線老化過程等效示意Fig.13 Equivalent schematic of bond wires ageing process

根據(jù)定義，當(dāng)IGBT模塊內(nèi)部單個(gè)芯片脫落的鋁線數(shù)量為0時(shí)，IGBT模塊的健康水平為1。當(dāng)單個(gè)芯片上的鋁線全部脫落時(shí)，IGBT模塊的健康水平為0。由于初始鋁線的數(shù)量視為N0×m（m→∞），在老化過程中剩余鋁線的數(shù)量逐漸減小，因此，剩余鋁線與初始鋁線數(shù)量之比是一個(gè)連續(xù)變化的過程，即計(jì)算得到的IGBT模塊健康水平λ是從1至0連續(xù)變化的，它真實(shí)地反應(yīng)了IGBT模塊的老化過程。IGBT模塊的健康水平λ與其運(yùn)行時(shí)間的關(guān)系如圖14所示。

圖14 IGBT模塊健康水平與運(yùn)行時(shí)間的關(guān)系Fig.14 Relationship between the health level of IGBT module and the running time

IGBT模塊的健康水平λ隨著運(yùn)行時(shí)間的增加而降低，當(dāng)λ下降到一個(gè)較低的水平時(shí)，模塊會(huì)發(fā)生損壞。通過本文提出的基于鍵合線壓降的IGBT模塊內(nèi)部缺陷診斷方法，可以隨時(shí)掌握IGBT模塊的健康水平，根據(jù)變流器的實(shí)際運(yùn)行工況，確定合理的模塊維護(hù)時(shí)間區(qū)域，及時(shí)對(duì)功率變流器中的降級(jí)IGBT模塊進(jìn)行更換，可以很大程度上提高變流器的可靠性，同時(shí)可以降低變流器的維護(hù)成本。在實(shí)際應(yīng)用中，IGBT模塊鍵合線上的壓降可以通過模塊內(nèi)部添加輔助測(cè)試端子進(jìn)行測(cè)量［19］，鍵合線溫度可以采用溫敏參數(shù)結(jié)溫測(cè)量法進(jìn)行測(cè)量［24］。

結(jié)合本文提出的IGBT模塊鍵合線缺陷評(píng)估方法，即可對(duì)IGBT模塊健康水平進(jìn)行準(zhǔn)確的在線評(píng)估。例如，根據(jù)第3節(jié)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的相關(guān)數(shù)據(jù)，將新模塊初始數(shù)據(jù)、模塊封裝參數(shù)和待評(píng)估模塊測(cè)試數(shù)據(jù)共同代入式（7）中，就可以評(píng)估出IGBT模塊的健康水平λ。當(dāng)IGBT模塊內(nèi)部單個(gè)芯片等效脫落鋁線數(shù)量為0時(shí)，計(jì)算得到不同工況下的模塊健康水平數(shù)值范圍為λ∈［0.945,1.011］，約等于1；當(dāng)?shù)刃撀湟话脘X線數(shù)量時(shí)，計(jì)算得到不同工況下的模塊健康水平數(shù)值范圍為λ∈［0.486,0.535］，約等于0.5。由于實(shí)驗(yàn)過程中的測(cè)量誤差，導(dǎo)致不同工況下評(píng)估出的結(jié)果有一定偏差，評(píng)估出的IGBT模塊健康水平直接反映了IGBT模塊的老化狀態(tài)。

5 結(jié)論

（1）IGBT模塊鍵合線的脫落、斷裂將導(dǎo)致模塊內(nèi)部鍵合線等效電阻增大，從而使得鍵合線上的壓降變大。

（2）鍵合線的電阻受溫度的影響，通過測(cè)量單個(gè)芯片等效鍵合線壓降、IGBT集電極電流和鍵合線溫度，利用本文提出的鍵合線狀態(tài)評(píng)估模型，可以準(zhǔn)確地評(píng)估出IGBT模塊鍵合線的老化狀態(tài)。

（3）選取不同的鍵合線壓降測(cè)量點(diǎn)，測(cè)得的單個(gè)芯片等效鍵合線壓降有所不同。為了提高評(píng)估結(jié)果的精度，選取的電壓測(cè)量點(diǎn)應(yīng)離鍵合線比較近。

（4）從鍵合線老化角度出發(fā)，將鍵合線狀態(tài)評(píng)估模型推廣應(yīng)用到實(shí)際老化IGBT模塊的健康水平評(píng)估，評(píng)估出的IGBT模塊健康水平可直接反映模塊的老化狀態(tài)。

現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)IGBT模塊進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)時(shí)，只能通過設(shè)定閾值的方式對(duì)IGBT模塊進(jìn)行好與壞的判斷，而本文提出的基于鍵合線壓降的IGBT模塊內(nèi)部缺陷監(jiān)測(cè)方法，評(píng)估結(jié)果能直接反映IGBT模塊老化過程中模塊健康水平的連續(xù)變化過程，在鍵合線狀態(tài)監(jiān)測(cè)的精度上有了很大的提高。本文提出的監(jiān)測(cè)方法是在恒溫箱中完成的相關(guān)實(shí)驗(yàn)，結(jié)合IGBT模塊結(jié)溫的在線測(cè)量方法，如何實(shí)現(xiàn)IGBT模塊內(nèi)部缺陷的在線監(jiān)測(cè)尚需進(jìn)一步研究。

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Research on Condition Monitoring for Defects Inside IGBT Modules Based on Voltage Drop of Bond Wires

GONG Can,SUN Pengju,DU Xiong,WANG Haibo,PENG Yingzhou,ZHOU Luowei
（State Key Laboratory of Power Transmission Equipment&System Security and New Technology, Chongqing University,Chongqing 400044,China）

In order to accurately evaluate the health level of insulated gate bipolar transistor（IGBT），detect and replace the defective IGBT modules timely，and improve the reliability of power converter,a novel prognostic method for defects inside IGBT module based on the voltage drop of bond wires is presented in this paper with principle and characteristic.The ageing state of bond wires inside IGBT module is diagnosed by the changes of equivalent voltage drop of bond wires on a single chip,and then judge the health level of IGBT module.Experiment result shows that condition monitoring for defects inside IGBT modules based on voltage drop of bond wires can accurately identify the ageing process of bond wires.This method not only diagnoses the defect that all bond wires liftoff on one chip,but also recognizes the condition that part of bond wires liftoff on one chip.It has been greatly improved in terms of accuracy compared with the condition monitoring method by the use of gate signal.This method provides a theoretical support for the maintenance of power converter and can reduce the system maintenance costs.

IGBT module;reliability;bond wire;temperature coefficient of resistivity;condition monitoring

龔燦

龔燦（1990-），男，碩士研究生，研究方向:變流器的在線監(jiān)測(cè)，E-mail：gongcan2008@126.com。

孫鵬菊（1982-），女，通信作者,博士，副教授，研究方向：變換器拓?fù)洹⒖刂萍翱煽啃?，E-mail：spengju@cqu.edu.cn。

杜雄（1979-），男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：變換器拓?fù)渑c控制、可再生能源發(fā)電，E-mail：duxiong@cqu.edu.cn。

王海波（1990-），男，碩士研究生，研究方向：變流器的可靠性，E-mail：1142848510@qq.com。

彭英舟（1990-），男，碩士研究生，研究方向：變流器的可靠性，E-mail：sanmanzhouzhou@163.com。

周雒維（1954-），男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：電力電子技術(shù)、電路理論及應(yīng)用、電能質(zhì)量分析與控制等，E-mail：zluowei@cqu.edu.cn。

10.13234/j.issn.2095-2805.2016.6.153

TM 46

A

2016-08-14

國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目（51137006）；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51577020)

Project Supported by the State Key Program of National Natural Science of China（51137006）;National Natural Science Foundation of China（51577020）