车载IGBT可靠性及其寿命评估研究

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摘要

IGBT作为新能源汽车电机控制器的核心部件，直接决定了电动汽车的安全性和可靠性。本文主要介 绍采用热敏感电参数法提取IGBT结温，并结合CLTC等试验工况得出对应结温曲线，通过雨流分析、Miner线性累 积损伤准则等评估整车寿命周期内IGBT模块的热疲劳寿命，最后结合电机控制器总成的试验现状，提出总成级试 验中进行IGBT加速试验的可行性方案。

IGBT是能源变换与传输的核心器件,俗称电力电子装置 的“CPU”。在新能源汽车中，IGBT直接控制驱动系统直、交 流电的转换，决定了车辆的扭矩和最大输出功率等，是汽车 动力总成系统的“心脏”。在新能源汽车中大量使用了IGBT功率器件，例如：电控、OBC、空调系统及充电桩等，如图1所示。据统计，IGBT等功率器件占到整车成本的7%～10%。

在电机控制器中，IGBT将动力电池的高压直流电转换 为驱动三相电机的交流电，为电机提供动力。在汽车运行 过程中，启停、频繁加减速等会使IGBT模块功率发生变化，IGBT结温也会随之不断循环变化，温度变化产生的热应力 会使模块内部焊层之间产生蠕变热疲劳或失效。因此，IG－BT模块的结温变化是影响其工作寿命与可靠性的主要因素。本文采用热敏感电参数法提取IGBT结温，并结合CLTC等试 验工况得出对应结温曲线，通过雨流分析、Miner线性累积 损伤准则等分析和评估整车寿命周期内IGBT模块的热疲劳 寿命，提出在总成级试验中进行IGBT加速试验的可行性方案。

1 IGBT概述

1.1什么是IGBT？

IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型 晶体管） 是由双极结型晶体管 （BJT） 和金属-氧化物-半导 体场效应晶体管 （MOSFET） 复合而成的结构，如图2所示。

它结合了两者的优点，具有输入阻抗高、功耗小、热稳定 性好、驱动简单、载流密度大、通态压降低等优势。

1.2 IGBT的结构

IGBT由芯片、覆 铜陶瓷衬底、基板、 散热器等通过焊接而 成，如图3所示。

1.3 IGBT的热特性

热特性是IGBT功 率器件的灵魂。芯片 工作产生的热量通过 不同的介质、界面传 递到散热器，将热量 散出，传递路径的热阻用Rthjc来表示，如图4所示。

IGBT模块的发热主要来源于功率损耗。功率损耗包括IGBT损耗和FWD损耗，其又分为开关损耗和导通损耗，如 图5所示。功率损耗与电流Ic、饱和压降Vce、开关频率等多 因素有关。

2 IGBT可靠性要求

2.1 IGBT模块可靠性要求

对于车规级IGBT模块，由于使用环境严酷，工况复杂， 寿命要求高，因此对IGBT模块性能和可靠性提出了越来越 高的要求，如图6所示。

2.2电控总成可靠性试验现状

据统计，IGBT损坏引起的故障占电控售后问题的首位， 是电控总成的短板。根据“木桶”原理，解决IGBT失效问 题对于降低电控总成失效率非常重要。但是，目前电控总 成可靠性试验主要参考707企标，没有考虑功率器件产品自 身发热引起的温度变化，也没有考虑冷却液循环带来的温 度稳定，比较适用于低压电气产品可靠性试验，对功率器 件产品不适用。如何在电控总成试验中加速IGBT的老化磨 损将是我们需要重点研究的课题。电控问题统计柏拉图如 图7所示。

2.3 IGBT模块可靠性试验

对于车规级IGBT模块，AQG 324、QC/T 1136等标准对 可靠性均有相关要求。以QC/T 1136为例，IGBT模块可靠性 包括芯片可靠性和封装可靠性，如表1所示。

2.3.1功率循环试验 （主动）

1） 功率循环试验(PCsec/PCmin)：检验绑定线与芯片的 连接点可靠性以及芯片与DCB焊接层的可靠性。功率循环试 验 （PCsec） 曲线如图8所示。

2） 功率循环(PCmin)：检验绑定线与芯片的连接点可靠性，芯片与DCB焊接层的可靠性以及DCB与Baseplate焊接 层的可靠性。

2.3.2温度循环/冲击试验 （被动）

温度循环(TC)：从Baseplate底部缓慢加热整个封装，检 验具有不同热膨胀系数的材料之间连接的可靠性。热膨胀 系数如图9所示。

2.4 IGBT模块失效模式

IGBT模块失效主要分为机械失效和电气失效，其中机 械失效包括绑定线、焊接层及封装/端子的老化所造成的使 用寿命终结，其主要是由功率循环产生结温变化引起。此 外，还包括过压、过流、其它因素 （如气候变化、化学腐 蚀） 所造成的失效，如图10所示。

IGBT失效同样适用可靠性“浴盆”曲线，在不同阶段 呈现不同表现形式，如图11所示。本文重点研究耗损失效中由于热机械应力导致的IGBT失效，而这一部分正是IGBT耐久失效的主要原因。IGBT耗 损失效如图12所示。

3 IGBT使用寿命分析与评估

3.1研究思路

根据IGBT失效模式可知，结温变化是影响其使用寿命的主要因素。评估IGBT的使用寿命就需要首先获得其在用 户工况下的结温曲线，然后结合IGBT功率循环寿命曲线， 应用累积损伤理论评估IGBT的使用寿命，具体分析步骤如 图13所示。这其中主要关键点及难点如下所述。

1） 用户代表工况选取，目前采用NEDC或者CLTC工况。

2） 工况中结温测量和结温曲线的获取，实车中很难通 过布置传感器的方案来直接获取结温曲线。目前有两种可 行方法：一种是通过计算功率损耗，结合热仿真模型获得；另一种是通过间接的热敏感电参数法获取相应的结温曲线， 详见3.3.2分析。

3） 温度分布：采用雨流法分析。

4）IGBT寿命曲线，一般由IGBT模块厂家提供。

5） 寿命评估，使用温度分布数据和IGBT寿命曲线结合 损伤理论进行寿命评估。

3.2 IGBT结温测试的几种方法

3.2.1物理接触测量法

把热敏电阻或热电偶等测温元器件焊接于IGBT内部， 从而获取模块内部基板的温度。测试方便但存在较大测量 误差，如图14所示。

3.2.2光学非接触测量法

先将IGBT模块打开， 除去透明硅脂，然后将IG－BT芯片表面涂黑，以提高 温度测量准确性，最后通 过热像仪等采用红外热成像 方法测试结温。属于破坏性 测量方法，如图15所示。3.2.3热敏感电参数法 利用半导体功率器件内部微观物理参数与器件温度具 有一一对应的映射关系，将芯片本身作为温度传感部件， 将其自身难测的内部温度信息反映在模块外部易测的电气 信号上，对芯片结温进行逆向提取，如图16所示。

3.3试验方案

3.3.1任务曲线建立

为了保证IGBT模块使用寿命的可比性，通常采用标准 的驾驶循环作为基本工况。国内一般采用NEDC（New Eu－ropean Driving Cycle，新标欧洲循环测试） 或CLTC（China Light-duty Vehicle Test Cycle，中国轻型汽车行驶工况） 作 为基本工况。以CLTC工况为例，采集电机控制器在此工况 下的电压电流值，如图17所示。

3.3.2结温曲线

本文采用热敏感电参数法反推获得IGBT模块在CLTC工 况下的结温曲线。

1） 温度系数 （K-factor） 测试

参考JESD51-1《集成电路热测试方法》 测试K系数。测 试步骤如下：设定好温度环境TL0，当器件外壳温度稳定时 给IGBT模块施加小电流 （10mA） 记录集电极和发射极间压 降大小VL0，然后将环境温度升高到THi，按上述要求记录此 时压降。两次温度值的差值除以电压差值即为K系数。

通过Power Tester 1800A功率循环测试仪测试K系数 （图18），结果如下：K-Factor：-2.694mV/℃。

2） 瞬态热测试 （负载）

测试原理图如图19所示。根据任务曲线得到的负载电 流，基于能量守恒，采用MATLAB软件将电流谱处理成300个恒定电流值便于实际加载测试。测试方法如下：①在IG－BT Gate上加上15V电压，使Gate完全打开，在CE之间用大 电流加热，使之达到热平衡；②在器件达到热平衡之后， 瞬间从大电流切换到小电流 （10mA），测量压降Vce；③测试 结果如图20所示，根据K系数中结温与Vce的之间的关系，得 出CLTC工况下的结温曲线，如图21所示。

3.3.3温度分布 （ΔT）

Ncode雨流分析流程如图22所示。为了将任务曲线引起 的结温变化与功率循环寿命曲线进行比较，采用雨流计 数法统计不同结温变化ΔT出现的频次。温度分布ΔT如图23所示。

3.3.4功率循环寿命曲线

研究发现当温度变化过程中的最高结温小于120℃时， 可以利用Coffin-Manson模型进行预测，该模型被广泛用于描 述半导体模块PC过程的失效规律。后经Arrhenuis修正，将 平均结温Tjm纳入考核范围，得到LESIT模型：

随着封装技术的改进，IGBT模块的寿命有了很大提高。焊 料层疲劳成为与键合线同等重要的失效机制。2008年Bayerer考虑到功率循环试验中温度波动范围、最大结温Tjmax、模块 键合线直径D、直流端电流i、阻断电压V等因素都会对器件 寿命造成影响，得到了CIPS多参数模型：

通过功率循环试验确定模型参数，绘制如图24所示的 功率循环寿命曲线。

3.3.5IGBT寿命评估

根据温度分布ΔT，并参考功率循环寿命曲线，将一个 驾驶循环中所有ΔT下的损伤相对其出现的频次加权求和， 可得到一个驾驶循环下的累积损伤。该累积损伤的倒数即 是功率模块的使用寿命，即：

式中：ni———在一个驾驶循环中，ΔTj出现的次数；Ni———在功率循环寿命曲线中，ΔTj对应的循环次数；Nf———功率模块使用寿命。

通常整车的使用寿命是30万公里，一个CLTC的行驶里 程大约是14.48km，则整车至少需要运行20718个CLTC才满 足寿命要求，通过计算Nf =13973605，远大于20718，满足整 车的使用寿命要求。

4电控总成IGBT加速试验

既然IGBT失效占电控总成失效的绝大多数，那么电控总 成试验中IGBT的考核是否足够？如何进行IGBT加速试验呢？

通过上述分析可知，IGBT模块的结温变化是影响其工 作寿命与可靠性的主要因素。因此在总成试验中，结温变 化的幅度和频次将直接影响其使用寿命。以冷热冲击试验 为代表的被动“功率循环试验”将是一个很好的试验方案。

由于该试验工作模式1.1，属于被动加热引起的结温变 化，其中ΔT=125℃、N0=215次，远低于行标要求。根据IG－BT热循环寿命曲线 （图25），当ΔT=125℃时寿命循环数N1约3000次，故冷热冲击试验考核仅占全寿命周期的7.2%，属 于考核偏弱，可适当增加循环数或加大温度变化范围，如 表2所示。

此外，通过分析NEDC或CLTC等驾驶工况可知，主动 “功率循环”产生的结温变化频次较多，但幅度偏小。以CLTC工况为例，根据3.3.3雨流分析结果可知ΔTmax=25℃，根 据IGBT寿命曲线则需要至少107循环数。在兼顾其它部件的 考核基础上合理修正工况，如增加启停或急加/减速工况也 是一种可行的加速试验方案。

5总结

本文通过介绍IGBT模块的结构、失效模式等说明热疲 劳是影响IGBT使用寿命的主要因素。并基于此建立了IGBT使用寿命评估方法，将整车设计寿命与IGBT使用寿命结合 起来，从而能够从行驶里程的角度快速评估IGBT功率模块 是否能够满足整车使用寿命的要求。此外，针对电控总成 的试验现状，提出在总成级试验中进行IGBT加速试验的可行性。对于主动“功率循环”试验，如何优化试验工况， 提升ΔTmax进行加速试验还需要进一步研究。当前以SiC和GaN为代表的第三代宽禁带半导体材料开始逐渐应用在新能 源汽车上，其可靠性也将是我们后续关注的方向。

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