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基于结温补偿的IGBT模块键合线失效监测方法

作者:海飞乐技术 时间:2020-01-03 17:51

  应用最广泛的塑封型IGBT模块由多层材料组成,其中键合线一般使用铝线或铝合金制作,DBC上铜层与芯片顶部铝焊盘依靠键合线实现电气连接。在反复受到电-热-机械应力的冲击后,由于各层材料的热膨胀系数不匹配,塑性应变在外力撤销后不能完全消失,最终导致键合线断裂、脱落等故障。受键合线物理结构限制,难以监测其故障行为,但键合线失效与IGBT模块外部的电气参数有着直接的内在关系。因此,键合线的失效可通过监测这些参数间接地判断出来。
  利用通态压降估计结温是目前应用最广泛的方法之一。但利用通态压降估计结温时,由于IGBT模块内部互连材料的温度低于芯片温度,导致结温估计存在误差。针对键合线失效监测,提出了一种考虑IGBT模块内部互连材料等效电阻的影响,从而有效补偿结温的方法。分别估算出补偿前后的结温值,并与红外场扫描仪所测实时数据进行对比分析,验证该方法的有效性。通过模拟键合线失效进程,确定键合线失效阈值,建立补偿后的失效基准面及査阅表,得到诊断器件失效的普遍方法。因此,只要获取同批次模块内部互连材料的等效电阻,便可利用此方法进行键合线的失效监测,为后续研究提供了参考。
 
1. 原理与设计
1.1 IGBT内部互连材料等效电阻分析
  图1为型号为SKM75GB12T4的IGBT模块拆封后内部寄生参数等效电路图。

内部寄生参数等效电路图 
  从集电极接线端子到发射极接线端子间包括铜片、焊料、键合引线等一系列互连材料。在实际运行中,IGBT模块需保持封装结构的完整性,一般方法测量得到的通态压降会受到发射极引脚与集电极引脚间互连材料的影响,导致利用该压降估计的结温存在误差。由于采用Uce_on估计结温,不存在寄生电容和电感的问题,故只需考虑材料电阻的影响。
计算公式1 
式中:Uce_chip为芯片通态压降;Req为内部互连材料的等效电阻;Ic为集电极电流。
  由此可知,在利用Uce_on估计结温时,考虑内部互连材料电阻的影响是十分必要的。
 
1.2 等效电阻补偿方法
  图2为被测IGBT模块在不同温度下的I/U特性曲线,由恒温箱、直流电源、电子负载、六位半精密万用表等仪器构建的测试系统获得。
不同温度下的I/U特性曲线 
图2 不同温度下的I/U特性曲线
  由图2可知,交点电流I=19.5A,且该点电压与温度无关。当Ic<I时,Uce_on与温度呈负相关,具有负温度系数;当Ic>I时,Uce_on与温度呈正相关,具有正温度系数。
  根据图2数据,采用多项式拟合方法,在不同电流水平下获取温度随Uce_on变化的斜率因子k,即温度系数,如图3所示。在未考虑内部材料影响的情况下,利用Uce_on来估计结温Tj的公式如下:
计算公式2
式中:Uce_on_m为实时测量的通态压降;Uce_on_B(/)为由I/U特性曲线获得的在特定电流下的基准电压值;TB为基准温度。
不同电流下的温度系数 
图3 不同电流下的温度系数
  实际测量中,由于互连材料均为金属导体,故电阻随温度变化成正比,且平均温度小于芯片温度。因此,在高电流下,利用实际获取的估算的结温值与真实结温存在偏差为了补偿这个偏差,就要考虑互连材料因温度引起的压降变化,该变化可由式(3)表示,式(4)为补偿后的结温估算公式。
计算公式3 
式中:a为互连材料的平均电阻温度系数;Tj_real为补偿后的估算结温。
计算公式4 
采用6500B精密阻抗分析仪和恒温实验箱测量IGBT互连材料电阻。图4为键合线脱落不同根数后,内部互连材料经拟合得到的Req与T的关系图。由图可知,a≈0.006ppm/℃。
Req与T的关系图
图4 Req与T的关系图
 
2. 实验
  为验证IGBT模块内部互连材料等效电阻补偿方法的正确性,采用DMM4050六位半高精密数字万用表及Labview软件对IGBT模块Uce_on进行实时记录,同时利用温场扫描仪的红外测温探头对芯片温度进行同步监测,其分辨率为±0.3℃。为了准确获取实验数据,被测IGBT打开封装且完全去除硅胶。
  图5为当Ic分别为25A和35A时,补偿前后的估算结温与温场扫描仪实时检测到的结温对比图。其中k=2.553,a=0.006ppm/℃:,基准温度TB为室温25℃,门极驱动电压为15V,电子负载采用恒流模式。可见,随着时间的不断增加,补偿前后的结温值差值也不断增大。当Ic=2A时,在测量时间内补偿前后结温最高相差9.84℃,且补偿后最低的估算结温为30.2℃,最高的估算结温为100.2℃,相对于红外场扫描仪的测量值而言,误差小于1.8℃。当Ic=35A时,测量期内补偿前后结温值最高相差11.6℃,最低相差0.8℃。补偿后最高估算结温为90.7℃,测量值最高温度为92℃,最大误差为1.3℃。可见,在利用该方法估算IGBT模块结温时,内部互连材料等效电阻很大程度上影响着估算的结果,且补偿后的估算温度值与实测值吻合度很好。因此,可将此方法进一步应用于IGBT模块失效监测研究中。
结温对比图 
图5 结温对比图
  IGBT键合线疲劳、芯片金属化重构等故障可以通过测量剪应力或裂纹长度直接评估,但通常需要特殊的设备,且只能通过离线测量来实现。通过人为设置键合线故障来模拟实际应用中键合线失效情况,有文献也证实了该方法的可行性。图6所示为测试电流I=40A时,键合线脱落不同根数后Uce_on的增长情况。
键合线脱落根数与通态压降关系 
图6 键合线脱落根数与通态压降关系
  第1条引线脱落后,Uce_on平均增长约5.6mV,增长率约为0.3%,第2条引线至第5条引线脱落后,通态压降的平均增长率分别为0.8%,1.4%,3.2%,7.5%。随着键合线根数不断减小,有效电流集中在剩余几根引线上,导致芯片结温能达到的温度逐渐增高。有文献利用人为设置键合线故障的方法和老化试验法将IGBT模块Uce_on上升7%和5%作为判断键合线失效的阈值,结合研究结果,在键合线脱落4至5根时急剧增加,说明此时IGBT模块已经不再适合继续工作,因此将识别型号为SKM75GB12T4的IGBT模块Uce_on增长设置为键合线最终的失效基准。
  考虑到被测IGBT模块额定电流为75A,测试给定电流分别为28A,30A,32A,34A,36A,38A,40A。如图7所示,以键合线脱落1根时为例,利用Uce_on,Ic,T,3个特征参数绘制三维图。可见,补偿后估算温度比补偿前平均高5.43℃。前面己证实,在考虑内部材料等效电阻压降的影响时估算的结温更为接近IGBT模块芯片的真实结温,所以将利用下方曲面作为监测IGBT模块键合线失效状态的基准面。
剪断1根键合线时补偿前后关系图 
图7 剪断1根键合线时补偿前后关系图
  采集不同键合线状态下的测试Uce_on,并估算出补偿后的结温,绘制IGBT模块在完好和不同故障程度下的三维曲面以及失效基准面(Uce_on增长5%),如图8所示。脱落不同程度键合线的IGBT三维曲面与完好的IGBT三维曲面相比,具有显著的上升趋势,且随着键合线故障根数越多,区分越明显。当监测数据高于失效基面时,即可认为IGBT功率模块键合线失效。
补偿后完好与剪断1-5根键合线 
图8 补偿后完好与剪断1-5根键合线
  IGBT键合线失效监测流程图如下:首先要获取Req和Uce_on,然后利用结温补偿公式估算出Tj,再建立键合线不同状态下的查阅表,最后在线测得待监测IGBT模块的Uce,估算Tj,将该数据与查阅表中数据进行对比,判断IGBT模块的失效情况,若数据高于失效基面(增加5%),则发出故障提醒信号。
  随着现在集成技术的不断发展,该方法可以推广到集成了其他功能的IGBT模块中去,只要获取同批次模块内部互连材料的等效电阻,便可利用此方法进行结温的准确估计,并判断键合线状态,为后续研究提供了参考。值得注意的是,此研究中键合线的脱落是人为设置的故障,即不涉及焊料疲劳和芯片老化等影响,同时可以缩短实验时间。在接下来的研究中可以利用提出的经验方法,对故障机制的建立进行进一步研究。
 
3. 结论
  此处提出了一种考虑模块内部互连材料等效电阻的影响来估算结温的方法,并通过实验验证了该方法所估测的结温更接近模块芯片的真实温度。应用此方法建立IGBT模块键合线失效的三维基面,针对键合线失效的IGBT模块进行状态监测研究。根据研究内容,得到结论如下:①IGBT模块内部互联材料的等效电阻温度低于芯片温度,利用通态压降估测结温会产生误差。在结温估测公式中考虑等效电阻引起的压降后,估算出的结温值更为接近芯片真实温度;②以所选模块为例,当键合线脱落1根时,外部特征参数变化不明显,当脱落4根后,可观察到通态压降增幅明显升高。通过实验结果及参考其他文献,得出当通态压降增大5%时,认为该模块不再适合正常工作,需要及时进行维护和更换;③基于IGBT模块内部互连材料等效电阻补偿方法,绘制键合线失效基准曲面,通过建立査阅表数据与所测实时数据对比,判断键合线状态,为IGBT的失效监测提供了更为可靠的依据;④利用经验方法,可对IGBT模块故障机制的充分建立进行进一步研究。




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