IGBT 作為新能源汽車電機控制器的核心部件，直接決定了電動汽車的安全性和可靠性。本文主要介 紹采用熱敏感電參數法提取 IGBT 結溫，并結合 CLTC 等試驗工況得出對應結溫曲線，通過雨流分析、Miner 線性累 積損傷準則等評估整車壽命周期內 IGBT 模塊的熱疲勞壽命，最后結合電機控制器總成的試驗現(xiàn)狀，提出總成級試 驗中進行 IGBT 加速試驗的可行性方案。
IGBT是能源變換與傳輸的核心器件,俗稱電力電子裝置 的“CPU”。在新能源汽車中，IGBT直接控制驅動系統(tǒng)直、交 流電的轉換，決定了車輛的扭矩和最大輸出功率等，是汽車 動力總成系統(tǒng)的“心臟”。在新能源汽車中大量使用了IGBT 功率器件，例如：電控、OBC、空調系統(tǒng)及充電樁等，如圖1 所示。據統(tǒng)計，IGBT等功率器件占到整車成本的7%～10%。
在電機控制器中，IGBT將動力電池的高壓直流電轉換 為驅動三相電機的交流電，為電機提供動力。在汽車運行 過程中，啟停、頻繁加減速等會使IGBT模塊功率發(fā)生變化， IGBT結溫也會隨之不斷循環(huán)變化，溫度變化產生的熱應力 會使模塊內部焊層之間產生蠕變熱疲勞或失效。因此，IG－ BT模塊的結溫變化是影響其工作壽命與可靠性的主要因素。本文采用熱敏感電參數法提取IGBT結溫，并結合CLTC等試 驗工況得出對應結溫曲線，通過雨流分析、Miner線性累積 損傷準則等分析和評估整車壽命周期內IGBT模塊的熱疲勞 壽命，提出在總成級試驗中進行IGBT加速試驗的可行性方案。
1、 IGBT概述
1.1 什么是IGBT？
IGBT （Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極型 晶體管） 是由雙極結型晶體管 （BJT） 和金屬-氧化物-半導 體場效應晶體管 （MOSFET） 復合而成的結構，如圖2所示。
它結合了兩者的優(yōu)點，具有輸入阻抗高、功耗小、熱穩(wěn)定 性好、驅動簡單、載流密度大、通態(tài)壓降低等優(yōu)勢。
1.2 IGBT的結構
IGBT由芯片、覆 銅陶瓷襯底、基板、 散熱器等通過焊接而 成，如圖3所示。
1.3 IGBT的熱特性
熱特性是IGBT功 率器件的靈魂。芯片 工作產生的熱量通過 不同的介質、界面?zhèn)?遞到散熱器，將熱量 散出，傳遞路徑的熱阻用Rthjc來表示，如圖4所示。
IGBT模塊的發(fā)熱主要來源于功率損耗。功率損耗包括 IGBT損耗和FWD損耗，其又分為開關損耗和導通損耗，如 圖5所示。功率損耗與電流Ic、飽和壓降Vce、開關頻率等多 因素有關。
2. IGBT可靠性要求
2.1 IGBT模塊可靠性要求
對于車規(guī)級IGBT模塊，由于使用環(huán)境嚴酷，工況復雜， 壽命要求高，因此對IGBT模塊性能和可靠性提出了越來越 高的要求，如圖6所示。
2.2 電控總成可靠性試驗現(xiàn)狀
據統(tǒng)計，IGBT損壞引起的故障占電控售后問題的首位， 是電控總成的短板。根據“木桶”原理，解決IGBT失效問 題對于降低電控總成失效率非常重要。但是，目前電控總 成可靠性試驗主要參考707企標，沒有考慮功率器件產品自 身發(fā)熱引起的溫度變化，也沒有考慮冷卻液循環(huán)帶來的溫 度穩(wěn)定，比較適用于低壓電氣產品可靠性試驗，對功率器 件產品不適用。如何在電控總成試驗中加速IGBT的老化磨 損將是我們需要重點研究的課題。電控問題統(tǒng)計柏拉圖如 圖7所示。
2.3 IGBT模塊可靠性試驗
對于車規(guī)級IGBT模塊，AQG 324、QC/T 1136等標準對 可靠性均有相關要求。以QC/T 1136為例，IGBT模塊可靠性 包括芯片可靠性和封裝可靠性，如表1所示。
2.3.1 功率循環(huán)試驗 （主動）
1） 功率循環(huán)試驗 (PCsec/PCmin)：檢驗綁定線與芯片的 連接點可靠性以及芯片與DCB焊接層的可靠性。功率循環(huán)試 驗 （PCsec） 曲線如圖8所示。
2） 功率循環(huán) (PCmin)：檢驗綁定線與芯片的連接點可靠性，芯片與DCB焊接層的可靠性以及DCB與Baseplate焊接 層的可靠性。
2.3.2 溫度循環(huán)/沖擊試驗 （被動）
溫度循環(huán) (TC)：從Baseplate底部緩慢加熱整個封裝，檢 驗具有不同熱膨脹系數的材料之間連接的可靠性。熱膨脹 系數如圖9所示。
2.4 IGBT模塊失效模式
IGBT模塊失效主要分為機械失效和電氣失效，其中機 械失效包括綁定線、焊接層及封裝/端子的老化所造成的使 用壽命終結，其主要是由功率循環(huán)產生結溫變化引起。此 外，還包括過壓、過流、其它因素 （如氣候變化、化學腐 蝕） 所造成的失效，如圖10所示。
IGBT失效同樣適用可靠性“浴盆”曲線，在不同階段 呈現(xiàn)不同表現(xiàn)形式，如圖11所示。本文重點研究耗損失效中由于熱機械應力導致的IGBT 失效，而這一部分正是IGBT耐久失效的主要原因。IGBT耗 損失效如圖12所示。
3. IGBT使用壽命分析與評估
3.1 研究思路
根據IGBT失效模式可知，結溫變化是影響其使用壽命的主要因素。評估IGBT的使用壽命就需要首先獲得其在用 戶工況下的結溫曲線，然后結合IGBT功率循環(huán)壽命曲線， 應用累積損傷理論評估IGBT的使用壽命，具體分析步驟如 圖13所示。這其中主要關鍵點及難點如下所述。
1） 用戶代表工況選取，目前采用NEDC或者CLTC工況。
2） 工況中結溫測量和結溫曲線的獲取，實車中很難通 過布置傳感器的方案來直接獲取結溫曲線。目前有兩種可 行方法：一種是通過計算功率損耗，結合熱仿真模型獲得；另一種是通過間接的熱敏感電參數法獲取相應的結溫曲線， 詳見3.3.2分析。
3） 溫度分布：采用雨流法分析。
4） IGBT壽命曲線，一般由IGBT模塊廠家提供。
5） 壽命評估，使用溫度分布數據和IGBT壽命曲線結合 損傷理論進行壽命評估。
3.2 IGBT結溫測試的幾種方法
3.2.1 物理接觸測量法
把熱敏電阻或熱電偶等測溫元器件焊接于IGBT內部， 從而獲取模塊內部基板的溫度。測試方便但存在較大測量 誤差，如圖14所示。
3.2.2 光學非接觸測量法
先將IGBT模塊打開， 除去透明硅脂，然后將IG－ BT芯片表面涂黑，以提高 溫度測量準確性，最后通 過熱像儀等采用紅外熱成像 方法測試結溫。屬于破壞性 測量方法，如圖15所示。3.2.3 熱敏感電參數法 利用半導體功率器件內部微觀物理參數與器件溫度具 有一一對應的映射關系，將芯片本身作為溫度傳感部件， 將其自身難測的內部溫度信息反映在模塊外部易測的電氣 信號上，對芯片結溫進行逆向提取，如圖16所示。
3.3 試驗方案
3.3.1 任務曲線建立
為了保證IGBT模塊使用壽命的可比性，通常采用標準 的駕駛循環(huán)作為基本工況。國內一般采用NEDC （New Eu－ ropean Driving Cycle，新標歐洲循環(huán)測試） 或CLTC （China Light-duty Vehicle Test Cycle，中國輕型汽車行駛工況） 作 為基本工況。以CLTC工況為例，采集電機控制器在此工況 下的電壓電流值，如圖17所示。
3.3.2 結溫曲線
本文采用熱敏感電參數法反推獲得IGBT模塊在CLTC工 況下的結溫曲線。
1） 溫度系數 （K-factor） 測試
參考JESD51-1 《集成電路熱測試方法》 測試K系數。測 試步驟如下：設定好溫度環(huán)境TL0，當器件外殼溫度穩(wěn)定時 給IGBT模塊施加小電流 （10mA） 記錄集電極和發(fā)射極間壓 降大小VL0，然后將環(huán)境溫度升高到THi，按上述要求記錄此 時壓降。兩次溫度值的差值除以電壓差值即為K系數。
通過Power Tester 1800A功率循環(huán)測試儀測試K系數 （圖18），結果如下：K-Factor：-2.694mV/℃。
2） 瞬態(tài)熱測試 （負載）
測試原理圖如圖19所示。根據任務曲線得到的負載電 流，基于能量守恒，采用MATLAB軟件將電流譜處理成300 個恒定電流值便于實際加載測試。測試方法如下：①在IG－ BT Gate上加上15V電壓，使Gate完全打開，在CE之間用大 電流加熱，使之達到熱平衡；②在器件達到熱平衡之后， 瞬間從大電流切換到小電流 （10mA），測量壓降Vce；③測試 結果如圖20所示，根據K系數中結溫與Vce的之間的關系，得 出CLTC工況下的結溫曲線，如圖21所示。
3.3.3 溫度分布 （ΔT）
Ncode雨流分析流程如圖22所示。為了將任務曲線引起 的結溫變化與功率循環(huán)壽命曲線進行比較，采用雨流計 數法統(tǒng)計不同結溫變化ΔT出現(xiàn)的頻次。溫度分布ΔT如圖 23所示。
3.3.4 功率循環(huán)壽命曲線
研究發(fā)現(xiàn)當溫度變化過程中的最高結溫小于120℃時， 可以利用Coffin-Manson模型進行預測，該模型被廣泛用于描 述半導體模塊PC過程的失效規(guī)律。后經Arrhenuis修正，將 平均結溫Tjm納入考核范圍，得到LESIT模型：
隨著封裝技術的改進，IGBT模塊的壽命有了很大提高。焊 料層疲勞成為與鍵合線同等重要的失效機制。2008年Bayerer 考慮到功率循環(huán)試驗中溫度波動范圍、最大結溫Tjmax、模塊 鍵合線直徑D、直流端電流i、阻斷電壓V等因素都會對器件 壽命造成影響，得到了CIPS多參數模型：
通過功率循環(huán)試驗確定模型參數，繪制如圖24所示的 功率循環(huán)壽命曲線。
3.3.5 IGBT壽命評估
根據溫度分布ΔT，并參考功率循環(huán)壽命曲線，將一個 駕駛循環(huán)中所有ΔT下的損傷相對其出現(xiàn)的頻次加權求和， 可得到一個駕駛循環(huán)下的累積損傷。該累積損傷的倒數即 是功率模塊的使用壽命，即：
式中：ni ———在一個駕駛循環(huán)中，ΔTj出現(xiàn)的次數；Ni ———在功率循環(huán)壽命曲線中，ΔTj 對應的循環(huán)次數；Nf ——— 功率模塊使用壽命。
通常整車的使用壽命是30萬公里，一個CLTC的行駛里 程大約是14.48km，則整車至少需要運行20718個CLTC才滿 足壽命要求，通過計算Nf =13973605，遠大于20718，滿足整 車的使用壽命要求。
4. 電控總成IGBT加速試驗
既然IGBT失效占電控總成失效的絕大多數，那么電控總 成試驗中IGBT的考核是否足夠？如何進行IGBT加速試驗呢？
通過上述分析可知，IGBT模塊的結溫變化是影響其工 作壽命與可靠性的主要因素。因此在總成試驗中，結溫變 化的幅度和頻次將直接影響其使用壽命。以冷熱沖擊試驗 為代表的被動“功率循環(huán)試驗”將是一個很好的試驗方案。
由于該試驗工作模式1.1，屬于被動加熱引起的結溫變化，其中ΔT=125℃、N0=215次，遠低于行標要求。根據IGBT熱循環(huán)壽命曲線（圖25），當ΔT=125℃時壽命循環(huán)數N1約 3000次，故冷熱沖擊試驗考核僅占全壽命周期的7.2%，屬 于考核偏弱，可適當增加循環(huán)數或加大溫度變化范圍，如 表2所示。
此外，通過分析NEDC或CLTC等駕駛工況可知，主動 “功率循環(huán)”產生的結溫變化頻次較多，但幅度偏小。以 CLTC工況為例，根據3.3.3雨流分析結果可知ΔTmax=25℃，根 據IGBT壽命曲線則需要至少107循環(huán)數。在兼顧其它部件的 考核基礎上合理修正工況，如增加啟?；蚣奔?減速工況也 是一種可行的加速試驗方案。
5. 總結
本文通過介紹IGBT模塊的結構、失效模式等說明熱疲 勞是影響IGBT使用壽命的主要因素。并基于此建立了IGBT 使用壽命評估方法，將整車設計壽命與IGBT使用壽命結合 起來，從而能夠從行駛里程的角度快速評估IGBT功率模塊 是否能夠滿足整車使用壽命的要求。此外，針對電控總成 的試驗現(xiàn)狀，提出在總成級試驗中進行IGBT加速試驗的可行性。對于主動“功率循環(huán)”試驗，如何優(yōu)化試驗工況， 提升ΔTmax進行加速試驗還需要進一步研究。當前以SiC和 GaN為代表的第三代寬禁帶半導體材料開始逐漸應用在新能 源汽車上，其可靠性也將是我們后續(xù)關注的方向。
京公網安備11010802046783號
