壓接型IGBT器件封裝退化監測方法綜述

李 輝 劉人寬 王 曉 姚 然 賴 偉

壓接型IGBT器件封裝退化監測方法綜述

李 輝 劉人寬 王 曉 姚 然 賴 偉

（輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室（重慶大學） 重慶 400044）

壓接型IGBT器件是智能電網中大容量電力電子裝備的基礎核心器件，其可靠性直接關系到裝備及電網的運行安全，而封裝失效是其主要失效模式，封裝退化監測是實現其故障診斷、狀態預測及智能運維的關鍵。針對現有研究大多側重于傳統焊接型IGBT器件封裝退化監測的問題，該文以壓接型IGBT器件為研究對象，首先，介紹壓接型IGBT器件封裝結構；然后，系統分析微動磨損失效、柵氧化層失效、接觸面微燒蝕失效、邊界翹曲失效、彈簧失效、短路失效、開路失效共七種封裝失效模式及對應的封裝退化監測方法，并提出現有監測方法存在的問題；最后，從封裝退化表征及評估、非接觸式監測、高靈敏度監測三個方面，展望壓接型IGBT器件封裝退化監測新思路。

壓接型IGBT 封裝退化監測 失效模式 可靠性

0 引言

絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）是一種復合全控型電壓驅動式功率半導體器件[1]，具有高輸入阻抗和低導通壓降的優點。通過將高壓IGBT芯片規?；⒙摚c續流二極管（Freewheeling Diode, FWD）芯片封裝成高壓大功率IGBT器件，再通過器件串聯，即可制造各類大容量電力電子裝備，因此大功率IGBT器件是大容量電力電子裝備的基礎核心器件。隨著新能源發電、軌道交通、智能電網、電動汽車等新興產業的蓬勃發展，IGBT器件得到了前所未有的廣泛應用[2-3]。在所有的功率半導體器件使用中，IGBT器件占比高達42%，是目前使用頻率最高的功率半導體器件[4]。就高壓直流輸電領域而言，ABB公司指出，高壓直流輸電故障中75%以上為功率變換器故障[5]。國內換流閥運行情況統計表明，換流閥年故障率為1.3次/年，其中84%的故障是換流閥元件故障[6]。而封裝失效是IGBT器件主要失效模式之 一[7]，封裝可靠性已成為影響電力電子裝備及系統安全的重要因素。IGBT器件封裝退化監測技術通過監測封裝退化過程中特征參量變化以評估封裝退化程度，是實現器件狀態評估、故障預測及智能運維的關鍵。

大功率IGBT器件有焊接與壓接兩種封裝形式[8-9]。焊接型IGBT器件通過鍵合線使內部芯片與外部電極形成電氣連接，其生產成本較低，是目前應用最廣泛的IGBT器件[10]，但因其存在功率密度不足、焊料層脫落、鍵合線斷裂、單面散熱等問題，難以滿足高功率等級的需求[11]。壓接型IGBT（Press Pack-Insulated Gate Bipolar Transistor, PP-IGBT）器件通過施加壓力，使內部芯片與外部電極形成電氣連接，可實現多芯片并聯壓接封裝。相比焊接型IGBT器件，壓接型IGBT器件易于規模化芯片并聯封裝、串聯使用，且具有低熱阻、雙面散熱、失效短路等優點[12-13]。以我國正在建設的張北柔性直流輸電工程為例，按4 500V/3 000A壓接型IGBT器件計算，整個工程器件使用數量高達4萬支以上，若因IGBT器件故障導致柔性直流換流站停運一天，經濟損失將高達千萬元，而實現壓接型IGBT器件封裝退化監測可有效地評估封裝退化程度，科學指導運維方案并及時更換高劣化器件，有利于規避潛在故障風險，對電力系統安全運行至關重要[14]。

國內外現有大功率IGBT器件封裝退化監測方法研究的對象多為焊接型IGBT器件，如河北工業大學王希平等的綜述性文獻[7]及美國馬里蘭大學H. Oh等的綜述性文獻[10]，而對壓接型IGBT器件研究較少。本文則針對壓接型IGBT器件，結合最新研究成果，綜述壓接型IGBT器件封裝退化監測方法。首先，詳細介紹剛性壓接、彈性壓接兩種主要的壓接型IGBT器件封裝結構，以及納米銀燒結壓接、混合壓接兩種近年提出的新型封裝結構。然后，基于壓接型IGBT器件微動磨損失效、柵氧化層失效、接觸面微燒蝕失效、邊界翹曲失效、彈簧失效、短路失效、開路失效共七種封裝失效模式的失效機理，分析各失效模式對應的封裝退化監測方法。最后，針對現有監測方法存在的問題，展望壓接型IGBT器件封裝退化監測新思路，提出未來研究重點將聚焦于封裝退化評估及表征、非接觸式監測、高靈敏度監測三方面。

1 壓接型IGBT器件封裝結構

壓接型IGBT器件根據內部芯片數量可分為壓接單芯片器件與壓接多芯片器件，分別如圖1a、圖1b所示，根據封裝結構主要可分為剛性壓接器件與彈性壓接器件[15]，分別如圖1b、圖1c[18]所示。

剛性壓接器件主要由WESTCODE、TOSHIBA等公司生產，國內中車時代電氣、全球能源互聯網研究院等企業也開展了自主設計與制造[16-17]，其主要結構由集電極銅板、集電極鉬片、IGBT芯片、發射極鉬片、銀墊片、門極頂針、支架、門極PCB、凸臺、發射極銅板和外殼構成，其中鉬片作為緩沖層以減小熱應力對芯片的沖擊，門極頂針連接芯片門極區和門極PCB以傳遞驅動信號，銀墊片用于緩解芯片間壓力分配不均問題，集電極與發射極銅板外表面均可安裝散熱裝置實現雙面散熱。器件工作時需要通過夾具施加一定壓力以減小接觸電阻與接觸熱阻，進而保證各層封裝材料間的良好接觸[18]。同時，為了使多芯片間電-熱-力分布均勻，需要對內部各種封裝材料進行精準匹配，構件進行精密加工，因此剛性壓接器件普遍對工藝精度要求較高。

彈性壓接器件主要由ABB公司生產，其通過引入碟簧來補償加壓過程中的壓力不足并吸收材料熱膨脹過程中的過應力，主要結構由發射極墊片、碟簧、銀/鋁墊片、鉬片、焊有芯片的集電極板、門極引線板和銅蓋板構成[19]。相比剛性壓接器件，彈性壓接器件降低了工藝精度要求，制造成本較低，同時保證了芯片表面壓力均勻性，但芯片與集電極板通過焊料連接，在長期功率循環過程中存在焊料層脫落失效問題，且碟簧結構的引入導致其散熱模式為單面散熱，限制了其在更高功率場合的應用。

新型壓接型IGBT器件封裝類型如圖2所示。為提高壓接器件中芯片與集電極鉬層之間的電熱接觸性能進而提升器件整體性能，天津大學梅云輝等提出了納米銀燒結壓接器件，如圖2a所示，該封裝結構采用納米銀焊膏將剛性壓接器件中集電極鉬片與IGBT芯片通過燒結工藝連接成整體，進而降低了接觸熱阻與接觸電阻[20]。測試結果表明，納米銀燒結壓接器件與剛性壓接器件性能一致，但結殼熱阻降低15.8%[21]。同時，納米銀燒結封裝結構提升了IGBT芯片表面壓力分布均勻性，有利于提高器件整體電-熱性能及可靠性。

圖2 新型壓接型IGBT器件封裝類型

2019年，DYNEX公司提出了一種銀燒結-剛性-彈性壓接相結合的混合壓接封裝器件，如圖2b所示。在該封裝結構中，采用碟簧取代剛性壓接封裝結構中的凸臺，并利用納米銀焊膏將IGBT芯片與集電極鉬片、發射極鉬片連接成整體。該結構可進一步提升IGBT芯片表面壓力分布均勻性，但存在單面散熱能力較差的問題。

歸納總結上述四種壓接封裝結構性能及特點，見表1。

表1 壓接型IGBT器件封裝類型對比

Tab.1 Comparison of PP-IGBT modules package types

2 封裝失效模式及退化監測方法

現有封裝失效及退化監測方法研究的對象多為焊接型IGBT器件，而對壓接型IGBT器件認知有限。壓接型IGBT器件與焊接型IGBT器件封裝失效模式不同，且壓接單芯片器件與壓接多芯片器件封裝失效模式也可能不同，因而所適用的封裝退化監測方法有所不同?，F有研究認為壓接型IGBT器件存在微動磨損失效、柵氧化層失效、接觸面微燒蝕失效、邊界翹曲失效、彈簧失效、短路失效、開路失效共七種封裝失效模式[22-23]。

2.1 微動磨損失效

微動磨損失效是壓接型IGBT器件主要封裝失效模式之一，微動磨損是指相互壓緊的兩種材料表面由于小振幅擺動而產生的一種復合形式磨損。實際工況中壓接器件受交變應力影響，各接觸面間產生相對滑動導致微動磨損，致使接觸面粗糙度、接觸電阻、接觸熱阻上升，進而引發微動磨損失效[24-26]，壓接型IGBT器件微動磨損失效如圖3所示。因此，導通電阻、導通壓降以及結殼熱阻等受接觸熱阻與接觸電阻影響的參量可作為微動磨損失效模式下封裝退化監測特征參量。

圖3 壓接型IGBT器件微動磨損失效

（1）導通電阻（ON）：ON由芯片導通電阻ON-chip和封裝電阻ON-package構成。其中，ON-chip受溫度影響，ON-package受壓接器件層間接觸電阻影響。監測中為避免溫度影響，一般采集相同溫度下的導通壓降CE-ON及集電極電流C以獲取ON，即

現有可靠性測試通常以CE-ON上升5%作為器件失效標準[27]，而C主要受負載及溫度影響，在恒溫測試條件下幾乎保持恒定，因此一般也將ON上升5%作為器件失效標準。重慶大學江澤申通過壓接單芯片器件功率循環實驗，發現由于IGBT芯片表面受到下鉬片擠壓，橫向、縱向微動位移使芯片表面金屬氧化層及內部硅材料被破壞，進而導致ON隨封裝退化緩慢上升，實驗中測得ON變化規律如圖4a所示[28]。

（2）導通壓降（CE-ON）：CE-ON較ON測量更便捷，是器件封裝退化的重要監測指標[23, 29]，一般以CE-ON上升5%作為器件失效標準[27]。重慶大學江澤申等通過壓接單芯片器件功率循環實驗得到CE-ON變化規律如圖4b所示，在24 480次循環時CE-ON驟升，器件失效[22]。西安交通大學Zhan Cao等利用線性關系消除了冷卻水溫度波動對CE-ON的影響，并通過壓接多芯片器件功率循環實驗得到CE-ON變化規律，如圖4c所示[30]。結果表明，CE-ON存在較大波動且對器件封裝退化中前期特性反映不明顯，這是因為多芯片器件內部為多子模塊并聯結構，單一子模塊的微動磨損對多芯片器件CE-ON影響不大，因此基于CE-ON的監測方法通常難以對中低封裝退化程度的多芯片器件進行有效評估。

圖4 微動磨損失效中特征參量變化規律

（3）熱阻（）：微動磨損會導致器件各層間接觸熱阻不斷增大，直接影響器件散熱性能，因此熱阻可有效反映器件封裝退化程度，通常以器件熱阻上升20%作為器件失效標準[31]。目前熱阻測量中應用最廣泛的是熱電偶測試法，標準JEDEC51-1[32]中指出，通過測量功率半導體器件的殼溫c、結溫j和功率損耗即可計算得到器件結殼熱阻jc[33]，即

華北電力大學Deng Erping等通過在集電極與發射極銅板表面刻蝕槽的方式放置熱電偶以測量壓接器件殼溫，如圖5a所示[34]。傅實等提出可以在芯片集電極鉬片上刻蝕截面積為1mm×1mm的槽放置熱電偶，這樣緊靠芯片的熱電偶可以近似測量結溫[35]。然而刻蝕的槽會在一定程度影響器件電流、熱流的流通路徑，進而可能會對器件可靠性產生不良影響。小電流法也是目前常用的結溫測量方法，研究表明，當IGBT器件通100mA小電流時，集射極電壓VCE-100mA與結溫間呈極高的線性關系[36]，因此通過測量小電流下的VCE-ON即可間接得到結溫，該方法具有無需改造器件封裝的優勢。

Deng Erping等提出了瞬態雙界面熱阻測量法，如圖5b所示。該方法分別測量器件殼表面與散熱器直接接觸、器件殼表面與散熱器間涂有導熱硅脂兩種情況下的瞬態熱阻抗曲線，兩條瞬態熱阻抗曲線分離點對應的熱阻即為器件結殼熱阻jc[37]。該方法無需通過熱電偶測量器件殼溫，有效地避免了殼溫測量需改造器件封裝以及難以區分熱電偶測量溫度是器件殼溫還是散熱器溫度的問題。

上述兩種熱阻測量方法均可應用于壓接單芯片器件中，但在壓接多芯片器件中，由小電流法測量的結溫是多芯片平均結溫，進而僅能測得多芯片器件平均結殼熱阻，該指標可以反映多芯片器件整體封裝退化程度，但并不能反映多芯片器件內各子模塊封裝退化程度。

（4）電熱不平衡性：壓力不均是壓接多芯片器件封裝失效的根本原因，其導致電流與溫度分布不均，部分子模塊因受到過大電-熱應力致使微動磨損加劇，進而引發器件失效[38-39]。重慶大學Lai Wei等研究表明，壓接多芯片器件中各芯片間最大溫度差與最大電流差可作為封裝退化監測指標，微動磨損失效中電熱不平衡性變化規律如圖6所示[39]。

在壓接多芯片器件芯片溫度分布測量方面，目前較為可行的是熱電偶和芯片集成溫度傳感器方案。采用熱電偶測量需改造封裝，進而對器件電- 熱分布產生不確定影響，而芯片集成溫度傳感器無需破壞封裝，在富士公司生產的IGBT器件中已有相關應用，如圖7a所示[40]，是一種較為可行的芯片溫度分布監測方案。

圖6 微動磨損失效中電熱不平衡性變化規律

圖7 多芯片器件溫度、電流分布監測

在壓接多芯片器件電流分布測量方面，目前最具可行性的是羅氏線圈方案，羅氏線圈不破壞封裝，抗干擾能力與線性度極佳，已在多芯片器件電流分布測量中得到應用[41-42]。北京交通大學Jiao Chaoqun等進一步設計出了適用于壓接多芯片器件電流分布監測的集成羅氏線圈，該線圈僅1mm厚，集成于PCB中，如圖7b所示[43]，該方案較傳統羅氏線圈體積更小、集成度更高，在電流分布監測中具有廣闊的應用前景。同時，文獻[44]利用小電流過趨熱效應，即結溫高的芯片比結溫低的芯片分布更多的小電流，通過在正溫度系數區工作一段時間前后集射極電壓變化量ΔCE，作為焊接多芯片器件電流分布均勻性的測評指標，ΔCE斜率越大則表明電流分布均勻性越差。該方法雖不能測得各子模塊電流具體分布情況，但可定性分析不均勻程度，為壓接多芯片器件中電流分布監測提供了一種新思路。

2.2 柵氧化層失效

柵氧化層失效是壓接型IGBT器件主要封裝失效模式之一。柵氧化層失效主要是由于IGBT芯片表面受到下鉬片擠壓，在交變應力作用下出現裂紋并塌陷，導致柵氧化層損傷，門射電阻GE減少，門極漏電流增大。當門極驅動不能提供已增大的門極電流G時，門極電壓GE下降，導電溝道變窄，CE-ON呈階梯型上升，IGBT芯片受到過應力，加劇柵氧化層損傷，加速芯片退化，最終引發器件失效，壓接型IGBT器件柵氧化層失效如圖8所示[23, 28]。同時，IGBT芯片退化會對器件開關特性產生一定影響。由此可見，CE-ON、GE、G、GE、開關時間等參量可作為柵氧化層失效模式下封裝退化監測特征參量。

圖8 壓接型IGBT器件柵氧化層失效

（1）導通壓降（CE-ON）：德國開姆尼茨工業大學L. Tinschert等研究表明，IGBT芯片柵氧化層損傷后CE-ON呈階梯型上升，芯片所受交變應力增大，進而加劇柵氧化層損傷，加速器件失效過程，受測器件（Devices Under Test, DUT）CE-ON變化規律如圖9a所示[23]。

（2）門極參量：重慶大學江澤申發現加速老化實驗前后IGBT器件GE從100kW降至103W，門極出現損壞[28]。同時，由于柵氧化層損傷會影響IGBT芯片退化程度，IGBT芯片狀態監測方法也可考慮應用于柵氧化層失效模式下的封裝退化監測中，如重慶大學Zhou Shengqi等提出了一種利用支持向量機，基于G的IGBT芯片狀態監測方法，通過芯片故障器件與健康器件開關過程中G動態特性對比，發現芯片故障導致G幅值下降[45]。M. A. Rodriguez- Blanco等發現GE米勒平臺隨IGBT芯片退化而變化，老化芯片的GE上升時間更快，GE動態特性對比如圖9b所示[46]。R. Mandeya等提出了一種基于特定閾值電壓GE-PRE-TH的芯片退化監測方法，GE-PRE-TH取值于GE過零點與閾值電壓GE-TH間的特定時刻，研究表明，多芯片器件中每片芯片失效會導致GE-PRE-TH偏移約500mV[47]?；陂T極參量的監測方法，可有效地避免高壓側干擾，但在門極引入的監測裝置增加了系統復雜性，對裝備整體可靠性可能會帶來不利影響。

圖9 柵氧化層失效中特征參量變化規律

（3）開關時間：柵氧化層損傷導致CE-ON增大，IGBT芯片受到過應力，退化加速。研究表明，關斷時間隨IGBT芯片退化程度增加而逐漸增大，在CE=600V、C=0.6A情況下，老化1 200h后的IGBT芯片關斷時間較初始狀態增大3.1μs[48]。同時，柵氧化層損傷是引發閂鎖失效的重要原因[49]，美國佐治亞理工學院D. W. Brown等發現，關斷時間可作為IGBT芯片閂鎖失效的早期指標，其隨芯片退化而延長[50]，因此開關時間也可應用于柵氧層失效模式下封裝退化監測中。由于IGBT器件的開關時間通常在μs級，為對比開關時間的微小差異，普遍需構建大容量數據庫。Xiang Dawei等提出了一種基于壓縮感知（Compressed Sensing, CS）的開關時間采樣分析方法，在達到相同對比效果的同時，有效地壓縮了采樣數據庫大小，一定程度上降低了基于開關時間監測方法的成本[51]。

2.3 接觸面微燒蝕失效

壓接器件內部多采用惰性氣體作為絕緣介質，絕緣強度遠低于焊接器件內部作為絕緣介質的硅凝膠[52]。當器件關斷時，由于器件內部各層冷卻時間常數較兩端電極板更小，冷卻速度更快，可能出現層間失去接觸的現象，加之兩端承受高電壓，容易產生局部放電，造成接觸面微燒蝕，進而導致器件失效，壓接型IGBT器件接觸面微燒蝕失效如圖10所示[24, 53]。由失效過程可知，局部放電是引發器件接觸面微燒蝕失效的根本原因，因此局部放電監測是接觸面微燒蝕失效模式下封裝退化監測的關鍵。華北電力大學Fu Pengyu等基于快速示波器、局部放電探測器和紫外成像攝像機，設計了一套專用于壓接型器件的局部放電監測系統，如圖11a所示，該系統主要通過脈沖電流、紫外攝像機監測局部放電現象[54]。

圖10 壓接型IGBT器件接觸面微燒蝕失效

（1）脈沖電流：該方法通過測量電阻在器件接地點測取局部放電引起的脈沖電流，以監測器件局部放電現象。Fu Pengyu等研究發現，隨著局部放電現象的發生，流經器件的平均漏電流逐漸增大，并分析了0.1ms內小時間尺度的漏電流波形[54]。在0.956的擊穿電壓下，漏電流幅值約為2mA，脈沖數量約為15個，而在0.978的擊穿電壓下，漏電流幅值約為2.5mA，脈沖數量約為27個，如圖11b所示。由此可見，漏電流幅值與脈沖數量隨外加電壓增加顯著上升。雖然脈沖電流法存在測量頻率低、頻帶信號窄、信息量相對較少、抗干擾能力較弱的問題，但由于其是目前唯一具有國際標準的局部放電監測方法（IEC 60270[55]），所測數據具有可比性，因此是目前局部放電監測領域最為重要的方法[56]。德國MAY公司采用軟硬件相結合的消噪抗干擾技術進一步優化脈沖電流法，實現了該方法在高壓開關柜設備中的應用，并成功研發INDIPARD局部放電在線監測系統及INDIPROT便攜式局部放電監測系統[57]。

（2）紫外照相機：由于局部放電區域會產生強烈的光發射現象，因此可借助紫外照相機監測局部放電。在文獻[54]中，紫外照相機增益被設定為170以獲得更佳的靈敏度，監測到的局部放電現象如圖11c所示。

除了上述兩種方法外，特高頻法、超聲波法等現有局部放電監測方法也可嘗試應用于壓接器件中，西安交通大學李軍浩等[56]、沈陽工程學院王曉文等[57]的綜述中均有詳細介紹，本文便不再介紹?，F有大功率IGBT器件絕緣性能監測研究對象多為焊接器件，而對于壓接器件絕緣特性研究很少，僅有的幾項研究也普遍側重于壓接IGBT器件局部放電產生機理，目前還有待于研究局部放電對于器件封裝損傷的影響，如什么強度、多少時間尺度的局部放電會導致器件封裝退化，以及監測指標與封裝退化程度間存何種量化關系，而這是利用局部放電進行接觸面微燒蝕失效模式下封裝退化監測的關鍵。

2.4 邊界翹曲失效

邊界翹曲失效主要存在于壓接多芯片器件中，由于集電極板、發射極板外接冷卻裝置，板內外會產生垂直溫度梯度，板內側熱膨脹尺寸較外側更大，致使邊界區域子模塊壓力減弱，出現不良接觸甚至失去接觸，進而導致子模塊導通電流與溫度降低，而中心區域子模塊電流與溫度會進一步上升，由此加劇板內側熱膨脹現象，加速邊界翹曲失效，壓接型IGBT器件邊界翹曲失效如圖12所示[23]。從上述分析可知，邊界翹曲失效會影響器件中電流與溫度分布，中心區域子模塊會出現過電流、過熱現象，而邊緣子模塊在失去接觸的極端情況下將無電流通過，因此同微動磨損失效模式下基于電熱不平衡性的監測方法類似，可以通過集成溫度傳感器或羅氏線圈的方法實現邊界翹曲失效模式下封裝退化監測。

器件端蓋邊緣產生微弱翹曲是邊界翹曲失效模式的顯著特點，針對這一特點可采用圖像識別技術進行監測。圖像識別技術采用智能算法，對圖像進行處理、分析與理解，以識別不同的目標和對象。目前圖像識別技術已廣泛應用于輸電線弧垂、覆冰厚度、絕緣子掉串與裂紋監測等輸配電裝備健康狀態監測中[58]。在機器視覺系統分辨率為1 600×1 200時，圖像識別監測精度可以達到20μm，是一種高精度的在線監測方法，因此圖像識別技術在邊界翹曲失效模式下封裝退化監測中具有良好的應用前景，但目前邊界翹曲量與器件封裝退化程度的關系還有待于研究。

圖12 壓接型IGBT器件邊界翹曲失效

2.5 彈簧失效

彈簧失效一般包括彈簧性能下降和門極區磨損。彈簧性能下降是指門極彈簧隨著時間推移和溫度變化出現應力松弛現象，致使門極探針與芯片門極表面接觸不良，當完全失去接觸后，器件將無法導通[59]。壓接型IGBT器件彈簧失效如圖13所示。門極區磨損是由于門極表面金屬鍍層因磨損而脫落，進而導致門極探針與門極表面接觸不良，如圖13a所示。

對于單芯片器件，門極彈簧接觸不良將增加門極接觸電阻，導致器件開關時間、開關損耗、結溫增加，進而導致ON-chip增大、彈簧所受熱應力增加、彈簧應力松弛速率加快，這些因素促使結溫進一步上升形成正反饋過程，最終造成彈簧失效，如圖13b所示。彈簧失效影響門極電阻G，進而對器件開關過程產生顯著影響：G越高，電壓梯度dCE/d和電流梯度dC/d越小，器件開通速度越慢，導通損耗越大，Infenion BSM200GB120DN2器件開關時間、開關損耗與G關系如圖13c所示。在多芯片器件中，多芯片并聯結構使得單模組門極彈簧劣化對器件整體開關過程影響較小，門極彈簧失效初期難以評測，但隨著彈簧劣化程度不斷增加，在部分子模塊彈簧完全失效后，多芯片器件內部重均流會導致電流、溫度分布發生較大變化，并導致剩余子模塊因過電流而過熱，進而致使剩余子模塊彈簧受到更大熱應力，加速彈簧失效過程，因此也可以基于集成溫度傳感器、羅氏線圈等方式監測電流與溫度分布，實現多芯片器件彈簧失效模式下封裝退化監測。

2.6 短路失效

短路失效是壓接型IGBT器件特有失效模式。對于剛性壓接封裝器件，在短路失效初始階段，芯片表面鋁鍍層在高溫、高應力下腐蝕滲透到硅片中，形成鋁硅合金。在老化加速階段，IGBT芯片與表面鋁鍍層開始互融，形成滲透孔。隨后短路電流流入滲透孔，由于過電流現象致使鋁硅加速反應，滲透孔不斷增大，最終滲透孔完全形成，器件開關不受門極信號控制，壓接型IGBT器件短路失效如圖14所示[60-61]。短路失效中特征參量變化規律如圖15所示。

圖14 壓接型IGBT器件短路失效

圖15 短路失效中特征參量變化規律

重慶大學Li Hui等采用通入過電流方法進行壓接單芯片器件短路失效實驗，在780μs時關斷驅動電壓，發現在關斷后約40μs內，器件電流急速上升，導通電流從0迅速上升至600A以上，其兩端導通壓降從380V急速下降為0，如圖15a所示；隨后構建了壓接型IGBT器件短路失效模型研究短路失效過程中關鍵參量的變化，發現導通壓降、芯片平均結溫、導通電阻等參量在短路失效過程中逐漸降低，而熱阻幾乎沒有變化，如圖15b所示[61]。在壓接多芯片器件中，當某一子模塊出現短路失效時，器件開關將不受門極控制，流經多芯片器件的電流將全部集中于短路芯片，其電流不平衡程度將遠高于微動磨損失效和邊界翹曲失效模式。

2.7 開路失效

壓接型IGBT器件短路失效后，短路部位將承擔器件全部電流，鋁硅合金將進一步與鉬片相互作用，形成各種金屬間化合物，導致電導率下降、耗散功率增加、溫度急劇上升，材料受高溫發生消融，最終導致器件開路失效[62]，壓接型IGBT器件開路失效如圖16所示。目前對于開路失效監測的研究主要從器件與電力系統兩個層面開展。

在器件層面，開路失效表現為器件不受門極控制，正向最大電壓在集電極上，且失效過程中溫度極高。重慶大學姚然對已短路失效的壓接單芯片器件進行短路耐久性測試，發現開路失效導致ON急劇上升至0.1W以上，結溫從120℃上升至約300℃，并產生30℃左右波動，如圖16c所示[63]。中車時代電氣Wang Zhen等通過預置故障子模塊方式進行壓接多芯片器件短路耐久實驗，發現子模塊從短路失效演化到開路失效過程中出現燃燒并熔化，導致ON增大、CE-ON上升，如圖16d所示[64]。

在電力系統層面，主要通過IGBT器件開路失效后電力系統參量變化實現故障診斷與定位。華南理工大學郭彥勛等以橋臂電流為觀測量搭建滑膜觀測器，實現模塊化多電平變換器（Modular Multilevel Converter, MMC）子模塊中IGBT開路故障快速診斷，以MMC子模塊電容電流理論值與實際值比值，實現故障定位[65]。中國礦業大學韓麗等以變流器輸出電壓直流量幅值和奇偶次諧波相位為特征參量，實現H橋變流器中IGBT開路故障診斷[66]。但現有方法大多基于IGBT器件已開路失效后的電路特征進行診斷，尚不能實現開路失效預警，一旦器件開路失效將對電力裝備安全產生重大影響，是一種危害極大的失效形式，因此需進一步研究IGBT器件短路失效演化到開路失效過程中電力系統參量變化規律，確保在IGBT器件開路失效前預警并及時更換。

3 封裝退化監測方法展望

3.1 封裝退化表征及評估方法展望

特征參量受多種封裝失效模式影響且對各種封裝失效模式靈敏度不同，如何基于特征參量變化規律辨識封裝失效模式即封裝退化表征問題是封裝退化監測的關鍵。同時，一種封裝失效模式也會影響多個特征參量，如何充分利用多特征參量信息以綜合評估封裝退化程度是封裝退化監測的重點。

在封裝退化表征方面，現有研究的對象多為焊接型IGBT器件，如美國北卡羅萊納州立大學A. Singh等發現導通壓降上升20%，鍵合線脫落失效[67]。重慶大學陳民鈾等發現熱阻上升約0.027K/W，焊料層老化程度達5.2%[68]；最高結溫增加5.1℃，焊料層空洞率達50%[69]等。而目前尚未有關于壓接型IGBT器件特征參量與封裝退化關聯機制研究的報道，僅可基于失效機理得出，在短路失效中電流不平衡程度較微動磨損失效和邊界翹曲失效更高、開路失效中結溫較微動磨損失效中更高等結論。因此尚需研究壓接型IGBT器件封裝退化過程中各個特征參量變化規律，分析特征參量與封裝失效模式間的靈敏度關系，揭示特征參量與封裝退化的關聯機制。

在封裝退化評估方面，為綜合評定某一失效模式下的封裝退化程度，需尋求一種能充分利用多特征參量信息的評估方法。證據理論是一種處理多類證據信息融合問題的不確定性推理方法，目前已在輸變電設備[70]、風電設備[71]等電力裝備狀態評估中應用，該方法中每個評估指標將被看作為一個證據體，可在不依賴于權重確定情況下，處理隨機性和模糊性導致的不確定性問題，較傳統基于確定權重的評估方法更能適應壓接型IGBT器件特征參量多、相互耦合關系復雜的特點，為建立多特征參量融合的封裝退化評估方法提供新思路。

3.2 非接觸式監測發展趨勢

現有針對壓接型IGBT器件封裝退化監測方法大多需通過外加接觸式設備或內置傳感器方式采集封裝退化特征參量，而附加設備會給電力裝備可靠性帶來不確定因素，因此非接觸式監測方法成為近年來功率器件監測領域研究熱點。

印度理工學院R. Biswas等對比了不同退化程度IGBT器件電磁輻射（Electromagnetic Radiation, EMR）信號功率譜，發現由于器件退化過程中關斷時間延長，導致EMR信號減弱，提出可將EMR峰值作為器件退化特征參量，不同過載時間IGBT器件電磁輻射功率譜如圖17所示[72]。隨后又提出了一種基于均勻線性陣列傳感器的電磁輻射定位方法，該方法采用ESPRIT算法估算角度，MUSIC算法估算距離，進而通過球面坐標系定位電磁輻射點，并提出以“（電磁輻射峰值-健康狀態電磁輻射峰值）/標準區間”作為器件退化程度定量分析指標，當該指標達到95%時即需更換IGBT器件[73]。

圖17 不同過載時間IGBT器件電磁輻射功率譜

芬蘭拉普蘭塔理工大學T. J. Karkkainen等發現焊接型IGBT器件在開關瞬態過程中存在聲發射現象[74]，隨后采用多種類型的聲發射傳感器在器件開關瞬間獲取了非平穩聲發射信號[75]，并測量了多個IGBT器件的聲信號進行對比分析，認為聲發射現象可能由兩種不同的物理機制引發[76]。德國開姆尼茨工業大學S. Muller等認為聲發射現象是由焊料層熱脹冷縮所引發，通過對不同老化程度IGBT器件聲發射信號進行頻域分析，發現其聲發射信號頻譜不同，如圖18所示，提出焊料層老化導致聲阻抗增加進而致使部分頻率幅值改變的可能性[77]。

圖18 不同老化程度IGBT器件聲發射信號頻譜

基于電磁場及聲場的監測方法是近年來提出的新方法，僅需數個傳感器即可實現監測與定位，其經濟性較好、靈敏度高、不存在侵入式測量設備，且易于實現在線評估。在壓接型IGBT器件柵氧化層失效、彈簧失效、短路失效等失效模式中，器件開關特性均會受到影響，因此基于EMR的監測方法也適用于部分失效模式下壓接器件封裝退化監測中。在接觸面微燒蝕失效模式中，局部放電會伴隨聲發射現象，因此基于聲發射的監測方法可適用于接觸面微燒蝕失效模式下封裝退化監測中。但目前存在如下問題：

（1）現有基于聲發射的監測方法研究對象主要為焊接型IGBT器件，鮮有對壓接型IGBT器件的研究，且由于封裝結構不同，壓接器件與焊接器件的聲發射機理不同。在壓接器件中，有可能是器件內部電-熱-機交變復合應力作用于部件所引發，也有可能是接觸面微燒蝕失效模式中局部放電所引發，因此尚需對壓接器件中聲發射機理作進一步研究，并需要通過模擬分析失效演化全過程，得到封裝退化過程中聲發射信號的變化規律。

（2）現有研究尚未考慮實際工況中復雜的電磁環境及噪聲影響，如何從強干擾信號中分離出特征信號是一個值得深入研究的問題，時頻分析中常用的極性鑒別法、基于傅里葉變換的閾值濾波法以及基于小波變換的閾值濾波法等方法均在去除噪聲方面具有良好效果，可為在實際工況中分離特征信號提供研究思路。

3.3 高靈敏度監測發展趨勢

現有壓接型IGBT器件可靠性研究中，大部分實驗均采用導通電阻、導通壓降、平均結溫、結殼熱阻等特征參量作為封裝退化監測指標，在大規模芯片并聯的壓接IGBT器件中，多芯片并聯存在均流與均熱的問題，致使上述指標在壽命中早期變化很小，但在壽命末期突變，并不能準確反映全壽命周期的封裝退化情況，因此亟需一種高靈敏度且可以準確測評全壽命周期中封裝退化程度的監測方法。

主動式測評方法一般采用外部注入信號方式，通過響應分析進行封裝退化評估，普遍具有較高的靈敏度。如頻率響應法（Frequency Response Analysis, FRA）對細微機械應變靈敏度高，曾廣泛應用于變壓器檢測中[78]，重慶大學周雒維等首次將FRA應用于焊接型IGBT器件封裝退化測評中，通過在門極與發射極輔助端間注入0～2.2MHz掃頻信號并測量集射極間響應信號，即可準確辨識鍵合線失效特征[79]。重慶大學姚陳果等通過向焊接型IGBT器件集射極間注入短時高壓脈沖并測量門射極間響應電壓，進行響應電壓幅值以及邊沿振蕩波形數據分析，在1μs內便能對器件封裝退化程度快速評測，可準確辨識鍵合線失效根數上的差異[80]。美國密蘇里大學A. Hanif等提出了一種基于擴頻時域反射（Spread Spectrum Time Domain Reflectometry, SSTDR）法的封裝退化測評方法，其主要利用注入電信號的反射信號特征進行測評，通過對兩個器件加速老化前后SSTDR信號對比，發現器件失效后SSTDR信號較初始狀態分別下降5.53%與5.33%[81]。

主動式測評方法靈敏度高，可以反映出全壽命周期中器件封裝退化程度。針對壓接多芯片器件內部重新均流與均熱致使端部參量不能有效表征封裝退化的問題，運用主動式測評方法是解決該問題的一種研究思路。目前尚需對壓接器件寄生參數等效電路、等效網絡模型以及其寄生參數、導通電阻的退化規律進行研究，以獲取其頻率響應、脈沖響應及擴頻時域反射特征。同時，目前主動式測評方法大多僅能在離線檢測中使用，如何將其運用于在線監測中也是一個值得深入研究的問題。

4 結論

本文系統分析了壓接型IGBT器件不同封裝失效模式及對應的封裝退化監測方法，為可靠性測試研究、工程應用提供參考。通過對現有監測方法的分析，提出壓接型IGBT器件封裝退化監測的研究重點如下：

1）壓接多芯片IGBT器件內部參量分布監測：端部參量不能有效反映器件內部參量的分布情況，而器件內部壓力、溫度、電流分布特征是封裝退化的重要表征，如何監測壓接多芯片器件內部參量分布將是未來研究重點。

2）壓接多芯片IGBT器件封裝退化表征：特征參量與封裝退化的關聯機制是封裝退化監測的關鍵，目前對壓接多芯片IGBT器件封裝失效機制認知有限，如何模擬封裝失效演化全過程，分析特征參量與封裝失效模式間的靈敏度關系，揭示特征參量與封裝退化的關聯機制將是未來研究重點。

3）非接觸式封裝退化監測方法：現有監測方法主要通過采集器件端部參量或測量內部參量分布的方式實現封裝退化監測，存在冗雜的附加設備與侵入式設備，而基于電磁場、聲場等物理場的非接觸式監測方法附加設備少，便于實現在線評估，將是未來研究熱點。

4）高靈敏度封裝退化監測方法：目前常用的基于端部參量和熱參量的監測方法對多芯片器件封裝退化中早期靈敏度不佳，頻率響應、脈沖響應、擴頻時域反射等方法具有高靈敏度，但尚未能實現在線測評，如何實現高靈敏度封裝退化監測將是未來研究重點。

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Review on Package Degradation Monitoring Methods of Press-Pack IGBT Modules

（State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Security and New Technology Chongqing University Chongqing 400044 China）

Press-pack IGBT modules are the basic core modules of large-capacity power electronic equipment in the smart grid. Therefore, their reliability is directly related to operation safety of equipment and power grid. Package failure is the main failure mode of press-pack IGBT modules, and package degradation monitoring is the key to achieve fault diagnosis, state prediction, and intelligent operation and maintenance. The existing research is focusing on the package degradation monitoring of traditional wire-bond IGBT modules. This paper took press-pack IGBT modules as the research object, and firstly introduced the packaging structure of press-pack IGBT modules. Then, seven kinds of package failure modes including fretting wear failure, gate-oxide failure, contact surfaces micro eroding failure, lids warping failure, short-circuit failure, open-circuit failure, and corresponding package degradation monitoring methods were systematically analyzed, and the problems of the existing monitoring methods were proposed. Finally, new ideas for package degradation monitoring of press-pack IGBT modules were proposed from the three aspects of packaging degradation characterization and evaluation, non-contact monitoring, and high-sensitivity monitoring.

Press-pack IGBT, package degradation monitoring, failure modes, reliability

TM23; TM930

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.201437

國家自然科學基金-智能電網聯合基金重點資助項目（U1966213）。

2020-11-01

2021-01-20

李 輝 男，1973年生，博士，教授，博士生導師，研究方向為電力電子器件應用與可靠性、風力發電技術、特種電機設計。E-mail: cqulh@163.com（通信作者）

劉人寬 男，1996年生，博士研究生，研究方向為電力電子器件應用與可靠性。E-mail: cqulrk@163.com

（編輯 陳 誠）