軌道交通牽引用IGBT熱疲勞可靠性研究

張曉 林珍君 李華 周望君

關鍵詞：IGBT;熱疲勞;沸騰冷卻;功率循環;熱循環

0引言

牽引變流器的核心是功率模塊IGBT，IGBT的可靠性直接影響到列車的可靠運行，軌道交通牽引系統的IGBT故障占功率模塊總故障的80%以上，IGBT的可靠性是研究牽引變流器可靠性的基礎。IGBT的可靠性應用和功率器件應用的精細設計能力，是提高軌道交通車輛運營穩定性的重要因素和緊迫挑戰。

1功率器件

軌道交通牽引系統用功率器件經歷了不可控器件、半控型器件、全控型器件的發展歷程，IGBT作為全控型電力電子器件的代表，具有開關速度快、開關損耗小、耐脈沖電流能力強、通態壓降低、驅動功率小等優點[1]，是當前軌道交通牽引變流器實現功率變換的首選和核心器件。

本文以某高速動車組牽引變流器IGBT失效為例，進行了失效機理、失效分析，確定了熱應力過大是導致器件失效的主要原因，并研制了新型高效沸騰式散熱器，有效的解決了熱應力過大的問題。

2功率器件失效機理

IGBT是基于特定目的的多種材料組合設計制造出來的，屬于典型的異質復合結構，其完整電器功能的實現直接依賴于結構的完整性。

IGBT器件是由不同材料組成的“三明治”多層堆疊結構，不同材料熱膨脹率（CTE）存在差異[2]，具體如下圖1和表1所示，IGBT在應用過程中存在各種應力循環，從而影響IGBT器件應用可靠性，國內外公司及機構關于IGBT或半導體器件的可靠性研究表明，IGBT器件失效的主要原因分為器件功率循環（Power Cycle）失效和溫度循環（Thermal Cycle）失效。功率循環主要考驗IGBT器件承受大電流下的電和熱應力的能力，考核引線互聯及芯片焊層的可靠性，對應失效特征為如圖1-1中（a）所示的綁定線的剝離;溫度循環考驗IGBT器件承受大的溫差循環的能力，器件內部熱應力與機械應力的同步作用，考核各焊接層的可靠性，對應失效特征為如圖1中（b）中所示的焊料層開裂。

Ss=LmΔα·ΔT/2φ0Ws

Δα為芯片與焊料層膨脹系數差異，ΔT功率循環過程中焊料層溫度差。

焊層疲勞失效[3]主要是熱膨脹系數不同產生的熱應變導致的，熱應變會在焊料層產生位移形變和剪切形變，導致在焊接位置處產生裂紋或使，這種形變反復作用后，焊料層就會產生疲勞，進而產生龜裂，IGBT焊料層所能承受的功率循環次數如下式所示[4]：

Np=Aexp（2φ0Ws/ΔαΔT）

A、φ0是與焊料層結構相關的常數，Ws為焊料層厚度。

通過上式可以看出，熱膨脹系數差異越大、焊料層溫差越高，焊料層所承受的熱切應應變越大，焊料層疲勞速度越快，進而導致焊料層分層、空洞和裂縫，導致熱阻增大、結溫升高，IGBT的耐循環次數越少，達到材料的疲勞極限后就會引起器件失效。

3功率器件IGBT模塊熱設計

IGBT產生的損耗主要通過熱傳導傳遞給散熱器散去熱量，IGBT由芯片、焊料層、DBC焊層等多層結構焊接基板上，芯片溫度最高，散熱器溫度最低，從芯片到散熱器的溫度由高到底形成一定的溫度梯度分布。

IGBT廠家都會根據每個功率器件半導體產品的物理特性，設定一個最大結溫（Tjmax），如果運行結溫（Tjop）超過這個最大結溫就可能發生熱損壞。IGBT的熱安全工作區是基于對IGBT模塊的損耗和熱分析，確定的牽引變流器可安全長期運行的最大區域。對于150℃最大允許結溫的功率器件來說，基于結溫的熱安全工作區（TSOA-Tj）是在最惡劣情況下，IGBT的最大運行結溫（Tjop（max））比最大結溫（Tjmax）低25℃以上，數字表達式如下：

其中Tjmax為功率器件能夠承受的最大允許結溫，Tjop_max為最大運行結溫。

4功率器件失效分析

4.1失效現象

某高速動車組牽引變流器功率模塊IGBT器件隨著運營里程的增長，失效率逐步增加，統計模塊IGBT一個高級修程周期內的故障率，IGBT在高級修的中后期故障率明顯增大，且和運用時間呈線性增長趨勢。

現場失效的IGBT外觀未發生異常，對失效IGBT進行絕緣測量，IGBT的CE兩極電阻值低于規定值，拆解IGBT到內部芯片底層，發現IGBT的集電極母排引腳位置發黑，其他位置完好，見圖2所示。

熱膨脹系數的不同和熱應力大使焊料層承受較大的熱應變，在母排引腳位置的焊料層產生如圖3所示的分層和裂紋，在分層和裂紋位置處容易出現熱應力集中現象，導致引腳位置熱阻增大和運行結溫升高，當溫度過高時會導致引腳位置脫落和引腳周邊硅膠碳化發黑，從而引起IGBT器件疲勞失效。

IGBT所使用的散熱器為熱管式散熱器，熱管是相變傳熱，熱管散熱器是由各個獨立T型熱管、翅片和基板組成， 各獨立T型熱管間冷卻介質不能互相流通。獨立的T型熱管分為水平熱管和豎直熱管，水平熱管吸收IGBT產生的熱量，水平熱管內的工質由液態變為蒸汽上升到頂部，豎直熱管安裝有散熱片，在冷卻風作用下豎直熱管內蒸汽冷卻變為液體下落到豎直熱管，形成循環換熱，熱管式散熱器工作原理如下：

在額定工況下，溫升結果如下：

根據元件內部溫升為Tc-j=30K， 在40℃環境溫度條件下，全新熱管散熱器功率模塊IGBT最大結溫為124.5℃，現場運行六年未清潔的功率模塊IGBT最大結溫為131℃，功率器件最大運行結溫均未超過最大允許結溫Tjmax（150℃），但從牽引系統長期運行的熱安全工作區來看，現場運行的未清潔散熱器功率模塊最惡劣工況時功率器件超過了熱設計安全工作區，功率器件在長時間運行后導致可靠性有所降低，進而故障率增加。

5新型高效沸騰式散熱器的研制

針對當前所使用的熱管式散熱器功率模塊溫升高和現場服役后余量不足問題，開發了新型高效的沸騰式散熱器，選用全新工質和全新工藝進行設計，國內首次實現了沸騰式散熱器開發。

沸騰式散熱器工作原理如下圖所示，當功率模塊工作時基板受熱，基板內工質吸收熱量發生相變成為蒸汽，蒸汽通過熱管通道傳至芯體中的導熱管，將熱量由基板傳至導熱管的冷凝段。在冷凝段中的蒸汽與外界發生熱交換冷凝為液態工質回流到散熱器基板中的蒸發段，開始下一個循環。

6結束語

文章通過對軌道交通牽引系統功率器件的失效分析，從器件熱設計、熱安全工作區和失效機理多方面研究，確定了導致功率器件失效的主要原因，通過全新和服役的功率器件熱疲勞可靠性試驗對器件失效進行了驗證，針對溫升高導致的熱疲勞問題，國內首次開發了新型高效沸騰式散熱器，目前已實現批量產品150萬公里無故障運營。

參考文獻：

[1] 安德烈亞斯·福爾克. IGBT模塊：技術、驅動和應用[M].北京：機械工業出版社，2011： 70-71，372-376.

[2] IGBT 器件應用手冊[M].三菱電機，2014：9-10

[3] 肖飛，劉賓禮，羅毅飛. IGBT疲勞失效機理及其健康狀態監測[M].北京：機械工業出版社2019：6-7，82-90.

[4] Ramminger S， Wachutka G. Predicting the crack progression in PbSnAg-solder under cyclic loading [C]. The 4 International Conference on Integrated Power Systems，2006：1-6.

基金項目：國家重點研發計劃資助項目（2018YFB1201800）