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焊接型电力电子器件失效机理及量化评估方法

作者:海飞乐技术 时间:2019-09-16 17:18

  电力电子器件是现代电能变换器的核心部件,不仅广泛应用于节能、电力牵引、智能电网等常规应用,还应用于高压直流开断,三深(深空,深海,深地),三极等极端应用。目前大功率电力电子器件的应用仍留有大量裕量以满足系统可靠性要求,这导致了电能变换器的重量和体积庞大,并且由于大量的串/并联设备而给电力电子器件的控制策略带来了困难。为了提高器件的功率密度,需要准确地评估功率器件的安全边界,尤其是对于极端应用。因此,电力电子器件的失效评估成为极限应用的重点。
  当功率器件在对重量和体积具有严格要求的极限工况条件下工作时,尤其需要对器件及其组合的工作机理和失效机理进行准确评估,才能找到器件的安全运行边界,实现电力电子器件在极限工作下的可靠性应用设计。本文的目的是基于电力电子器件的失效机理和评估方法,提出极限条件下功率器件的应用设计方法。
 
1. 器件失效机理
1.1内部机理
  内部机理主要与器件的工艺和材料特性有关,例如缺陷和疲劳。缺陷主要是由制造工艺和封装过程引起的。疲劳和老化主要是由于应力条件下的器件材料特性退化造成的。因此,它们是制造器件后的固有因素。
  根据目前关于器件缺陷的研究进展,本文系统总结了器件缺陷分类及其检测方法,如图1所示。分为可直接观察的缺陷和潜在缺陷,它们又都与芯片和封装相关。潜在缺陷需要一定应力条件才能使它们显现出来。在每个类别中,“⍻”表示缺陷需要在一定应力条件下发生。需要说明的是,通过功率循环等加速应力方法使隐性缺陷提前暴露,但最终都是需要相关设备例如超声波扫描以(SAM)等来对缺陷进行测量。

器件缺陷类别和分析方法 
图1 器件缺陷类别和分析方法
 
  功率器件的疲劳和老化机制可分为与芯片相关的失效和与封装相关的失效。前者主要来自于基于器件物理结构和Si疲劳的界面疲劳,如图2所示;后者主要来自焊料疲劳和键合线疲劳,如图3所示。
疲劳前后器件表面的SEM照片 
图2 疲劳前后器件表面的SEM照片
焊线剥离和焊料断裂 
图3 焊线剥离和焊料断裂
 
1.2外部因素
  功率器件失效的外部因素主要包括由于控制、外电路等原因引起的电、热和机械引起的失效,准确分析需要获取器件的失效后物理状态和失效前工作条件。
(1)电压击穿失效。
  这是由于一次高能量雪崩或在几次能量累积后的雪崩击穿引起的,如图4所示。
器件电击穿 
图4 器件电击穿
 
  以IGBT为例,当雪崩电压击穿发生时电击穿本身不会损坏器件,是一个可逆过程,一旦击穿过程结束,IGBT仍能恢复到正常工作状态。但另一方面,由于IGBT发生过压击穿时电压被钳位在雪崩击穿电压值,而电流缓慢下降,将产生很大的功率损耗并转化为焦耳热,使得在硅芯片结温升高,多个周期形成热量累积,导致结温继续上升。最后温度达到硅材料的本征温度,发生热击穿,也就是二次击穿,芯片内部的PN结就会被一块称为中等离子体的细丝状高电导本征半导体有效旁路,导致发生不可逆的退化,器件发生短路进而烧毁。这种退化与单纯的雪崩击穿是不同的,发生雪崩击穿时温度一直低于本征温度,对PN结并无损坏,而温度升高引起的这种不可逆的退化会损坏PN结。
  图4a)则是以某型600V/15A单芯片IGBT为例进行了电击穿测试,可以看出,IGBT在关断瞬态时由于尖峰电压过大发生了电压击穿,此时IGBT集−射极电压钳位在击穿电压值,但仍可正常工作,直到持续3个脉冲后才发生了失效。这也说明,单纯的电击穿并不会导致IGBT发生破坏性失效,只有电击穿过程中引起的功耗与热量不能完全散发出去,在内部累积到一定程度才会发生不可逆的失效。
(2)过流导致热击穿失效。
  这主要是由过电流引起的高结温,最终导致芯片局部或部分烧坏,如图5所示。
过电流下的热击穿 
图5 过电流下的热击穿
 
  IGBT热击穿是由芯片产生的总功耗和散热装置所能带走的功耗之间的热平衡关系来决定的。针对瞬时大电流脉冲冲击,可认为器件产生的热量全部耗散在芯片材料层;而对于连续周期脉冲工况,则需要考虑器件损耗与传热之间的关系。
(3)疲劳应力失效。
  热应力周期性扰动是导致IGBT器件疲劳失效的原动力。热应力大小由器件内部各层材料之间热失配程度及温度分布特性决定,在器件封装材料与结构一定时,内部温度分布特性是决定应力大小的主要因素。
  疲劳应力失效又分为芯片疲劳和封装疲劳。其中,封装疲劳主要包括焊料层疲劳和键丝疲劳;芯片疲劳主要是界面疲劳。芯片焊料层中常见的微观缺陷形式包括了空洞、焊料裂纹与界面分层三种,不同热应力条件下焊料疲劳失效模式不同,导致材料缺陷演变规律及主要影响因素不同。
  采用功率循环模拟大电流冲击下的大温度梯度冲击作用。与常规功率循环设置不同,本文功率循环大电流采用的是IGBT额定值的约4倍,功率循环电流脉冲的开通时间与关断时间均为1s,结温梯度ΔTj=100K。这主要用来模拟高压直流输电中固态断路器开断工况。由于开断电流通常为数倍的额定电流,在开断过程中,IGBT结温波动能够达到100K左右,因此,采用这种工况可以模拟固态断路器在高压直流开断工况下IGBT器件大温度梯度的强热冲击作用,近似表征在高压直流开断瞬态大的温度梯度冲击作用。这实际也是一种应力累积的效果,只是累积的速度更快,对器件耐受短时脉冲重复冲击能力提供评估依据。通过功率循环考核表明,瞬间大电流条件下IGBT芯片焊料层失效的主要模式是硅/锡银铜焊料(Si/SAC)界面裂纹的萌生与扩展。当IGBT模块导通瞬时大电流时,芯片温度在较短时间内快速变化,Si/SAC界面承受高温、大温度梯度和强热冲击作用。Si/SAC界面与SAC合金本体的力学特性不同,SAC合金是一种低屈服强度、低熔点、高延展性和高韧性的金属材料,其抵抗短时强热冲击作用能力强而抵抗长周期热应力作用能力弱,主要失效模式是本体裂纹的萌生与扩展;而Si/SAC界面力学特性与SAC合金存在较大差异,Si与SAC两种成分相在界面处可发生化学反应,生成高强脆性的金属间化合物,因此Si/SAC界面表现为强度高、延展性低、脆性高的力学特性,其抵抗长周期热应力作用的能力强,而抵抗短时强热冲击作用能力差,失效模式为界面裂纹萌生与扩展。
  因此,在瞬间大电流条件下,IGBT模块芯片焊料层疲劳失效的主要模式是界面裂纹萌生与扩展,如图6所示。图6是将某型1200V/50A单芯片IGBT模块进行边缘切片得到的剖面图,该图展示的是芯片边缘的剖面形貌,可以看到,界面裂纹萌生最为明显,且也是从芯片边缘开始。温度波动幅度及温度上升速率是影响界面分层失效的主要因素。
焊料层疲劳缺陷演变 
图6 焊料层疲劳缺陷演变
 
  键丝疲劳主要是由于键丝受到电热应力不断冲击,键丝反复形变导致的。键丝疲劳会引起接触电阻、键丝间电流分布发生变化,因此可以通过IGBT集射极饱和压降来监测键丝疲劳失效。
  界面疲劳是由于IGBT是由多种部件或多种材料组成的串联或串并联系统,在这一系统中,有许多固相交界面,主要包括金属—半导体界面(Al-Si),半导体—绝缘体界面(Si-SiO2),金属—绝缘体界面(Al-SiO2),硅化物界面,以及绝缘体—绝缘体界面。在电、热、物理和化学应力作用下,产生界面效应,引发界面疲劳失效。
 
2. 失效量化评估
  电力电子器件失效量化评估需要获取失效机理和器件模型。目前,主要有两种类型的失效评估方法:1)数学统计方法; 2)物理模型方法。后者更能体现器件的工作机理,本文重点放在物理模型方法上。
2.1数学统计方法
  数学统计模型主要针对的是器件的疲劳寿命评估,已有大量相关研究,如1953年的Coffin
Manson模型,1997年的LESIT模型,2008年的CIPS模型等。在现有阿伦尼斯模型的基础上建立了一种考虑结温、电流的改进寿命预测模型,如公式1和图7所示,预测精度得到提升。
计算公式1 
式中:Nf为模块的循环寿命次数;R为空气常数;A,α,Q,M,N为拟合常数;ist为模块额定电流;Tjmax为模块额定最高结温;i为集电极电流;Tm为平均结温。
  此外,最近也出现了一些采用神经网络算法、加权网络模型等新的寿命预测方法。但是该方法无法有效表征器件的实际工作机理,对器件和装置应用可靠性设计的指导有限。
寿命预测模型的仿真结果 
图7 寿命预测模型的仿真结果
 
2.2 物理模型方法
  它是基于器件半导体物理的一种特性表征方法,可以有效表征器件的实际运行特性,有利于指导器件和装置的可靠性设计,但是需要构建基于电力电子器件的物理模型。本节将结合作者团队的研究成果,从三个方面阐述基于物理模型的失效量化评估方法:过压、过流以及疲劳。
(1)针对过压失效的模型评估。
  针对器件过压击穿,其本质上是内部PN结的过压击穿。因此,以PIN二极管续流瞬态反向恢复尖峰电压为例,本文作者基于半导体物理,建立了PIN二极管特别是在短时续流时的反向恢复电压尖峰模型,如式(2),并如图8所示进行验证。它显示了模型仿真和实测之间的良好一致性,为PIN功率二极管的反向恢复电压击穿可靠性评估提供了模型支撑。
计算公式2 
式中:t0为二极管反向截止开始到续流电流降为0的时间;t1为二极管电流由0开始反向到反向电流达到最大的时间;τr为二极管反向电流最大值下降到0阶段的时间常数;Q0为导通电流达到稳态时的基区过剩载流子电荷;QT为PN结两端注入的总电荷量;IF为电流导通稳定值;τ和τ*为计算过程中的等效时间常数;t*为二极管续流时间。
T1不同初始关断电流时的实验结果 
图8 T1不同初始关断电流时的实验结果
 
(2)针对过流失效的IGBT并联均流评估。
  为了提高电力电子装置的功率等级,IGBT模块常常并联使用,而由于模块参数离散性、驱动信号不一致、功率回路不对称等问题,并联IGBT之间常通常存在动态不均流问题,严重的会引起器件过流失效。因此,建立不均流度与外部电路工况、IGBT内部参数之间的量化关系,对于进一步建立并联IGBT的失效量化评估模型,进而指导并联IGBT模块的尽限使用,具有重要意义。
  首先,定义不均流度k与参数差异程度ρ
计算公式3、4 
式中:imax、imin分别代表开通总电流达到尖峰电流时的支路最大、最小电流值;Cv、Ctyp代表IGBT模块的参数波动值和典型值。
  为对不均流度进行量化评估,根据作者建立的IGBT改进瞬态物理模型[46]及不均流度定义,建立不同参数差异与不均流度之间的量化关系。
(1)阈值电压差异ΔVTH与不均流度之间的关系。
计算公式5 
式中:Kp为MOS跨导;VTH1和VTH2分别为并联两管的阈值电压;bL为电子和空穴迁移率比值;τHb和τL分别为IGBT缓冲层和基区的少子寿命;WL和Weff分别为基区冶金宽度和有效宽度;i为并联总电流。
(2)栅射极电容与不均流度之间的关系。
计算公式6 
式中:VGE1和VGE2分别为并联两管的栅射极电压;CGD为米勒电容;CGS1和CGS2分别为两管的栅射极电容;VGON为栅极开通电压;RGON为栅极开通电阻。
(3)米勒电容与不均流度之间的关系。
计算公式7 
  由于上述公式难以直接求得解析解,可以采用IGBT物理模型进行计算,IGBT内部参数差异程度与不均流度之间的关系如图9所示。
  由图9可知,在参数差异程度相同的条件下,阈值电压对不均流度的影响最大。在电路工况确定的条件下,优先使用阈值电压这个参数对并联器件进行失效评估:首先,监测阈值电压随疲劳的变化规律;其次,根据图9提供的不均流度随阈值电压差异的关系,结合阈值电压随疲劳的变化关系,即可得出在该工况下,不均流度随时间t的变化关系,结合不均流度和总电流,可根据物理模型评估器件的损耗和结温,从而对并联IGBT过流失效的可靠性进行评估与失效预测,如图10所示。
IGBT模块内部半导体参数与不均流度之间的关系 
图9 IGBT模块内部半导体参数与不均流度之间的关系
并联IGBT失效评估方法 
图10 并联IGBT失效评估方法
 
(4)杂散电感差异与不均流度之间的关系
计算公式8 
式中:VDC、vf、vcem分别为直流母线电压、二极管电压和IGBT集射极电压;LS为主回路电感;L1,L2为并联IGBT支路等效电感;n为并联IGBT个数。
  杂散电感差异与不均流度之间的关系如图11所示,可以看出,当杂散电感差异增加时,不均流度增长趋势逐渐变缓,这是由于随着电感差异的增加,回路总电感也会增加,限制了电流上升率,从而使得不均流度随电感差异增加的趋势变缓。
  基于对器件并联不均流度的评估,可以明确器件参数和电路参数对并联均流特性的影响,进一步通过损耗和传热模型评估器件的工作结温,从而为器件并联极限安全边界评估提供指导。
杂散电感差异与不均流度之间的关系 
图11 杂散电感差异与不均流度之间的关系
 
(3)针对疲劳老化的模型评估与监测。
  基于器件物理模型和材料物理,获得了不同器件参数的状态监测方法。例如,如图12所示的基于封装材料疲劳的饱和压降Vce的IGBT健康状态监测模型,如图13所示的基于阈值电压Vth的IGBT健康状态监测,可根据器件参数的退化情况评估器件的健康状态。
计算公式9 
  此外,从封装材料物理特性的角度,针对焊料层空洞对器件热特性的影响评估,我们从空洞尺寸,位置和比例的角度进行建模,如图14和图15所示。得到不同空洞率P对器件结壳热阻Rthjc的影响规律。
基于集射电压Vce的健康状态监测方法 
图12 基于集射电压Vce的健康状态监测方法
基于Vth的健康监测方法 
图13 基于Vth的健康监测方法
IGBT模块及其焊料层空洞的Ansys建模 
图14 IGBT模块及其焊料层空洞的Ansys建模
 
  由图15可知,芯片到底板热阻随空洞率的增大而增大,证明了相同加载条件下,单个空洞越大对器件热稳定性越明显。从封装失效来看,这对于功率器件的状态监测也是有帮助的。
芯片焊料层空洞率与结壳热阻的关系 
图15 芯片焊料层空洞率与结壳热阻的关系

3. 结论
  本文系统的介绍了电力电子器件失效机理和评估方法的研究现状,提出了电力电子器件的失效量化评估方法。对电力电子器件失效机理的分析需要从器件的内部材料特性和外部电路元素两个方面入手;在此基础上,结合半导体器件物理机理,建立了基于模型的器件过压、过流以及疲劳失效的量化表征方法。该方法体现了器件的工作机理,有助于指导器件以及装置的应用设计,尤其是对器件极限应用下的可靠性评估提供了重要支撑。




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