多芯片并聯IGBT模塊老化特征參量甄選研究

丁雪妮 陳民鈾 賴 偉 羅 丹 魏云海

多芯片并聯IGBT模塊老化特征參量甄選研究

丁雪妮 陳民鈾 賴 偉 羅 丹 魏云海

（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）

多芯片并聯的絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）是大容量電力電子裝備的核心器件，其運行可靠性受到業界的廣泛關注。甄選能表征多芯片并聯IGBT模塊老化狀態的特征參量對系統主動運維和可靠性提升十分重要。該文以英飛凌1.7kV多芯片并聯封裝IGBT模塊為研究對象，對比分析芯片焊料層老化和鍵合線脫落對電-熱-磁特性影響規律，提出磁感應強度作為多芯片并聯IGBT模塊疲勞失效狀態監測的特征量。首先，建立多芯片并聯IGBT模塊穩態導通等效電路，定性分析模塊退化與磁感應強度的耦合關系；其次，基于模塊的三維電-熱-磁有限元模型研究多芯片并聯IGBT模塊電、熱、磁參量在老化失效中的變化規律和靈敏性。結果表明，磁感應強度在兩種失效模式中靈敏性均最高，并不受環境溫度變化的影響，而且在測量中可以避免與模塊電路的直接接觸，對模塊的正常運行影響較小，因此適合作為多芯片并聯功率模塊運行狀態監測的特征參量。

多芯片并聯IGBT 磁感應強度 老化特征參量 狀態監測

0 引言

為了實現電能的高效轉換和靈活控制，電力電子變換和控制技術越來越廣泛地應用于新能源發電并網、柔性交直流輸電、電動汽車及充電裝置、軌道交通電力牽引等領域，而電力電子變換裝置也成為應用系統的關鍵裝置，在很大程度上決定著應用系統的效率、能耗、成本和可靠性。根據工業數據統計，光伏發電系統37%的計劃外維護和59%的故障相關成本是由光伏逆變器故障造成的[1]，而風機系統[2]和交流變頻驅動系統[3]的故障也主要由功率變換器故障導致。電力電子變換裝置通常由功率半導體器件、驅動電路、儲能元件和控制電路等部分組成，其故障主要由功率半導體器件失效引起，約占34%[4]。因此，為降低電力電子變換裝置故障率，提高系統的運行可靠性，滿足更嚴格的安全和成本約束，發展功率半導體器件狀態監測技術的需求在學術界和工業界變得越發迫切[5-6]。

隨著高壓、大電流應用領域對電力電子變換裝置需求的增加，以IGBT為主的功率半導體器件向大容量、標準模塊化方向發展，通過多芯片并聯模塊的形式滿足功率密度需求[7]。多芯片并聯模塊在功率循環中存在不均勻的溫度分布，溫度最高的芯片和溫度最低的芯片間存在最大5～15℃的差異[8]，因此各芯片焊料層或鍵合線老化失效速度并不一致，即存在不均勻老化。在多芯片并聯模塊中，每個芯片的健康狀態和可靠性共同決定模塊整體的健康狀態和可靠性。傳統老化狀態參量大多適用于分立器件或單芯片開關功率模塊的狀態監測，但無法對多個硅芯片并聯組成一個開關的大功率IGBT模塊的健康狀態進行準確監測和評估。現有研究分別基于柵極信號[9]、閾值電壓[10]和跨導[11]對多于10個IGBT芯片并聯的模塊中鍵合線脫落引起的失效芯片數量進行監測評估，但對于并聯IGBT芯片數量少于10個的模塊，一個芯片失效即模塊整體失效，由于并聯芯片連接于同一終端，基于模塊端部電氣特性參數的狀態監測方法不能在模塊失效前對模塊內部不均勻老化進行量化評估。此外，受不平衡的溫度分布、電流分布等影響，基于平均結溫或平均殼溫的方法對模塊整體老化狀態的評估會偏離實際狀態。文獻[12]因此提出基于芯片對應殼溫差值變化監測多芯片并聯IGBT模塊基板焊料健康狀態和失效位置，但殼溫差值變化較小，對測量精度要求較高。文獻[13]通過輸入殼溫、散熱器表面溫度、散熱器進出水溫和環境溫度，結合兩級神經網絡，對模塊實際健康狀況進行分類判別，但需要大量數據實現神經網絡的訓練。隨著日益增長的大容量電力電子裝置需求和不斷提高的應用可靠性要求，甄選能夠表征多芯片并聯IGBT模塊不均勻老化狀態且更加便于監測的老化特征參量變得越來越重要。

本文通過對比分析電-熱-磁等參數與老化狀態的映射關系和響應靈敏度，提出一種可用于多芯片并聯IGBT模塊不均勻老化狀態監測新的老化特征參量，為準確的多芯片IGBT模塊準在線、在線狀態評估提供支撐。首先，基于多芯片并聯焊接式封裝IGBT模塊穩態等效電路模型，定性分析焊料層疲勞和鍵合線脫落兩種主要老化失效過程中模塊電、熱、磁特性的退化。其次，建立多芯片并聯IGBT模塊的三維電-熱-磁有限元模型，通過模型仿真得到模塊電、熱、磁特性的退化規律，基于對老化響應的靈敏度和監測可行性，甄選出磁感應強度作為多芯片并聯IGBT模塊老化的狀態監測參量。最后，通過穩態導通實驗驗證了磁感應強度對多芯片并聯IGBT模塊老化靈敏度較高，因此在準在線或在線狀態可基于磁感應強度變化對多芯片并聯IGBT模塊健康狀態進行監測和評估。

1 多芯片并聯IGBT模塊電熱磁特性的退化分析

本文選取英飛凌多芯片并聯FF450R17ME4 IGBT模塊為研究對象，其內部結構及電路拓撲如圖1所示，是由6個IGBT芯片及其反并聯的續流二極管（Freewheeling Diode, FWD）組成的半橋模塊。根據其數據手冊中的IGBT輸出特性曲線，當集電極工作電流C較小時，導通壓降集射極電壓CE隨結溫j的升高而降低；而在實際工作電流范圍內，CE隨j上升而增大，C、CE和j關系理論上可以表示為[14]

式中，0和0分別為在參考溫度j0時的閾值電壓和IGBT芯片導通電阻[15]；1和2分別為導通壓降和芯片導通電阻的溫度系數。

當工作電流一定時，式（1）可以改寫成

其中

多芯片并聯IGBT模塊處于穩態導通狀態時，模塊上橋臂集射極端等效電路可以簡化成圖1所示，其中S為IGBT芯片焊料層電阻；C為IGBT芯片導通電阻，存在正溫度系數；W為與IGBT芯片相連的鍵合線總電阻。模塊上橋臂集射極等效電路中每個芯片對應分支電阻可以表示為

式中，為芯片i的集射極電阻。

在等效電路中存在以下關系

由式（6）～式（8）可得流經每個芯片的電流

假設連接芯片與銅層的每根鍵合線不存在明顯差異，則流經芯片的電流在鍵合線上均勻分流。將鍵合線看作多根平行的有限長直載流導體，根據畢奧-薩伐爾定律和疊加定理可以得到一個芯片上所有鍵合線在空間任意一點所激發的總磁感應強度total,i為

式中，為每個芯片上鍵合線總數量；0為真空磁導率；r為材料相對磁導率；d為電流元單位向量；為電流元與待求場點距離的單位向量。對于單根有限長直載流導體，在相同距離下中軸線上的點產生的磁感應強度最大，而對于多根平行的有限長直載流導體形成的導線排，位于導線排中心點由于到每根導線距離總和最短，存在最大總磁感應強度。

根據式（9）～式（11）可知，當某芯片焊料層老化時，芯片焊料層有效導熱面積減小，對應熱阻增大，老化芯片結溫上升，其導通電阻增大，因此老化支路總電阻增大。流經各芯片支路的電流重新分流，老化支路電流減小，而其他支路電流增大。電流的變化進一步反映在鍵合線激發的磁感應強度上。流經老化支路的電流減小，根據式（12）可知，老化芯片鍵合線在芯片上方同一點產生的總磁感應強度方向不變，幅值減小，總磁感應強度最大值減小；流經其余支路電流增加，同理其余芯片鍵合線在芯片上方同一點產生的總磁感應強度方向不變，幅值增大，總磁感應強度最大值增大。總磁感應強度最大值與流經芯片的電流大小成正比。

當某芯片鍵合線開始脫落時，鍵合線總電阻增大，但對熱阻影響不大，所以芯片結溫不會產生較大波動，芯片導通電阻也不會明顯增大。此外，鍵合線電與芯片導通電阻相比相對較小，因此在少量鍵合線脫落時不會引起支路總電阻發生較大改變，也不會引起老化分支電流減小，但老化芯片因為鍵合線數量的減少，流經剩余鍵合線的電流重新均流變大，使得剩余鍵合線在同一點產生的磁感應強度方向不變，幅值增大，該點總磁感應強度方向和大小都發生改變，總磁感應強度最大值位置和大小均發生改變；流經其余支路電流沒有明顯增加，其鍵合線在芯片上方同一點產生的總磁感應強度方向不變，幅值也沒有明顯增加，總磁感應強度最大值同樣基本保持不變。

綜上可知，磁感應強度對模塊芯片焊料層疲勞和鍵合線脫落均具有敏感性，同時磁感應強度的測量并不需要侵入模塊電路[16]，不會影響模塊正常運行。因此，將通過多物理場有限元仿真進一步量化分析和對比模塊電、熱、磁特征參量對焊料層老化或鍵合線脫落的靈敏度。

2 多芯片IGBT器件多物理場有限元模型

當IGBT模塊運行時，芯片及鍵合線在開通關斷過程中產生損耗成為主要熱源，通過熱傳導引起IGBT模塊各層結構溫度變化，而模塊的材料屬性，如硅芯片電阻率，隨溫度變化而變化。因此，研究考慮電熱耦合效應，建立該模塊的三維電-熱-磁有限元模型，并驗證有限元模型的有效性，從而能通過模型仿真得到模塊電、熱、磁特性的退化規律，量化分析其對老化響應的靈敏度。

2.1 IGBT有限元模型建立

多芯片并聯IGBT模塊結構尺寸及各層材料參數見表1，其中IGBT芯片的電阻率隨溫度變化。在工作電流一定時，根據數據手冊IGBT輸出特性曲線及式（2）可以計算出IGBT芯片在不同溫度下的電阻及其溫度系數3，而根據IGBT芯片三維尺寸和式（13）可以計算出IGBT芯片在不同溫度下的電阻率。在結溫為25℃時部分電流對應的電阻率和電阻溫度系數見表2。

式中，為芯片電阻；為電阻率；為芯片厚度；為芯片面積。

表1 IGBT模塊各層材料參數

表2 IGBT電阻率及電阻溫度系數

與續流二極管相比，IGBT芯片在開關過程中由于產生更大的損耗而承受更大的熱應力，同時結構更復雜，其更易失效[14]。因此，本研究著眼于多芯片并聯IGBT模塊內部IGBT的健康狀況，忽略二極管的影響。因模塊上下橋臂布局結構基本一致，在三維模型幾何結構中將上橋臂中續流二極管芯片和下橋臂中所有芯片的鍵合線去掉，僅模擬上橋臂導通狀態。當上橋臂IGBT導通時，恒定電流從模塊集電極流入，通過鍵合線流入上橋臂上銅層，流經三個并聯的IGBT芯片，再通過IGBT芯片表面的鍵合線流入下橋臂的上銅層。因此，在三維模型電流場中，對上橋臂芯片上銅層施加激勵電流，同時將下橋臂上銅層設置為接地，如圖2所示。由于硅凝膠和陶瓷層起絕緣作用，硅凝膠、陶瓷層及陶瓷層以下的材料層在電場中被設置為電絕緣區域。在三維模型電磁場中，模塊的初始磁矢勢為0Wb/m。IGBT模塊在運行時底部與散熱器相連，對于大功率模塊通常采用水冷散熱，因此在模型中在基板底面設置強制水冷散熱，水流流速為0.5m/s，水溫為20℃，由于硅凝膠的熱導率較小以及基板四周的自然空氣對流影響較小，模塊產生的熱量主要通過熱傳導向下傳遞，通過基板底部散熱，因此除基板底部外其余接觸面均設為熱絕緣界面，環境溫度設置為20℃。

圖2 IGBT模塊電-熱-磁有限元模型

在模型求解過程中，根據傳熱學、電磁學和有限元分析理論[17]，電熱磁外特性參量可由式（14）～ 式（19）計算得到。

當模塊通入總激勵電流分別為90A、150A、210A、270A、330A、390A和450A時，調整模型底面對流散熱系數使平均結溫（vj）分別保持在25℃、125℃和150℃，得到相應IGBT導通電壓繪制輸出特性曲線，與數據手冊的輸出特性曲線的對比如圖3所示。從圖3中可知，模型輸出特性曲線和數據手冊中的輸出特性曲線具有良好的一致性，最大誤差為0.03V。當通入總激勵電流為300A時，模塊的瞬態結殼熱阻抗（thjc）可以根據式（20）計算得到圖4。圖4顯示了仿真得到的穩態結殼熱阻為0.061K/W，與數據手冊中的穩態結殼熱阻0.06K/W的誤差在2%以內。因此，建立的多芯片并聯IGBT模塊電-熱-磁有限元模型能夠較好地對實際模塊的電熱特性進行模擬。

圖4 數據手冊及仿真結果的瞬態結殼熱阻抗曲線

當設置總激勵電流為150A時，以IGBT模塊內部填充的硅凝膠表面作為測量平面，磁感應強度測量位置如圖5a表面所示。多芯片并聯IGBT模塊在測量平面的磁感應強度分布如圖5b所示，測量平面的磁感應強度主要存在軸和軸方向分量，軸方向分量可以近似為0，同時無論是在軸方向分量（B）還是軸方向分量分布中，通過芯片鍵合線上方區域的磁感應強度最大，并且由芯片鍵合線四周向芯片鍵合線所在位置遞增，即測量平面的磁感應強度主要由鍵合線產生。選取B作為IGBT模塊磁場分布的代表參量，其分布如圖5c所示，每個芯片鍵合線對應區域都存在一個波峰，波峰頂點為磁感應強度最大值Bmax，與理論分析一致。

圖5 多芯片并聯IGBT模塊在測量平面的磁感應強度

2.2 有限元模型實驗驗證

為了進一步試驗驗證所建立有限元模型的有效性，通過穩態實驗測量與多芯片并聯IGBT模塊電-熱-磁有限元模型仿真輸出的殼溫、電壓和磁感應強度結果進行對比驗證。實驗平臺及測量原理如圖6所示，設置可編程電源為恒流源，輸出電流大小分別設為90A和150A，直流穩壓電源提供15V模塊柵極驅動電壓，水冷機水流流速為0.5m/s，水溫20℃，環境溫度約為20℃。在IGBT模塊穩態導通并達到熱平衡時，利用熱電偶溫度計記錄每個芯片對應的殼溫（c），同時使用高斯計測量每個芯片鍵合線上方單軸向磁感應強度最大值，并用萬用表測量模塊的導通壓降（CE_on）。

圖6 穩態導通實驗平臺及測試原理

實驗所測模塊殼溫與仿真模型殼溫對比見表3，仿真殼溫與實測殼溫分布趨勢相同，即芯片M殼溫最高，芯片R殼溫略高于芯片L殼溫，并且仿真殼溫與實測殼溫的誤差始終不超過2%。實驗所測模塊導通壓降與仿真模型導通壓降對比見表4。實測模塊導通壓降與仿真結果基本一致，誤差在1%以內。

表3 實測殼溫與仿真殼溫結果對比

表4 實測模塊導通壓降與仿真導通壓降結果對比

實驗所測模塊磁感應強度峰值與仿真模型磁感應強度峰值見表5，實測值普遍低于仿真值，主要是由于仿真模型并不能將鍵合線形狀和位置1:1還原以及其余線路的干擾，但此差異對于磁感應強度變化規律的觀察沒有較大影響。實測磁感應強度比值與仿真磁感應強度比值對比見表6，仿真中磁感應強度比值與導通電流比值相同，驗證了健康模塊中磁感應強度與流經電流的正比關系，而實測磁感應強度比值與導通電流比值的誤差較小，仍然可以較好地通過理想模型得到實際模塊的磁感應強度變化規律。因此，此電-熱-磁三維有限元模型的準確性滿足要求，可以用來獲取模塊電、熱、磁特性參量的變化規律。

表5 實測模塊磁感應強度峰值與仿真磁感應強度峰值

表6 實測磁感應強度比值與仿真磁感應強度比值對比

3 不同老化狀態下特征參量對比分析

本節基于多芯片并聯IGBT模塊電-熱-磁有限元模型，對模塊兩種主要失效模式進行仿真，進一步分析電、熱、磁特性參量在老化失效過程中的退化規律，對比分析各特征參量的老化響應靈敏度和易監測性。

3.1 焊料層老化

芯片焊料層發生老化時，不論是裂紋、分層還是空洞都將減少焊料層有效導熱面積，并且隨著老化程度加深由邊緣向中心發展，因此定義芯片焊層脫落度來表征焊料層的脫落程度，即脫落部分的面積占總面積的比重[12]，如圖7所示。當模塊導通電流為150A時，IGBT模塊的溫度分布如圖8a所示，取每個芯片中心點計算結溫，芯片R、M、L的結溫分別為52.1oC、53.4oC、51.1oC。造成芯片R最高溫度略高于芯片L最高溫度的原因是芯片R與基板右側邊緣距離更近，其熱傳導條件相較芯片L略差。此外，在圖8a中芯片M中高溫（紅色）面積最大，而芯片L高溫（紅色）面積最小。綜上所述，當IGBT模塊導通時，高溫主要集中在芯片中心，并向芯片四周逐漸降低，同時由于芯片位置布局差異以及芯片間的熱耦合作用強度不同，處于中間位置的芯片的溫度梯度變化范圍最大。

考慮到芯片焊料層溫度梯度變化范圍越大，承受的熱應力越大，結溫越高的芯片的焊料層老化可能性越高，因此通過有限元模型模擬結溫最高的芯片M的芯片焊料層的老化，以獲得多芯片并聯IGBT模塊芯片焊料層老化時模塊電、熱、磁特性的變化規律。

圖7 芯片焊層脫落度

圖8 IGBT模塊結溫分布

在IGBT模塊的導通電流為150A，散熱器水流速度為0.5m/s，水溫20℃，環境溫度為20℃的情況下，設置芯片M焊料層脫落度分別為0%、12%、23%、33%時，IGBT模塊結溫分布如圖8所示。當芯片焊料層脫落度為23%時，相比于健康狀態，芯片L結溫上升3.3℃，芯片R結溫上升3.5℃，芯片M結溫上升了1.2℃，此時芯片R結溫最高，比芯片M略高1℃，而芯片L結溫與芯片M結溫相近。當芯片焊料層脫落度為33%時，相比于健康狀態，芯片L結溫上升5.3℃，芯片R結溫上升5.6℃，芯片M結溫上升了1.7℃，芯片R和芯片L結溫均高于芯片M結溫。因此，在芯片M焊料層脫落度增加的過程中，芯片R和芯片L結溫在整個老化過程中增幅幾乎一致，且明顯大于芯片M結溫增幅，如圖9a所示。

IGBT模塊的殼溫變化量隨中心芯片焊料層脫落程度增加的變化如圖9b所示，除了每個芯片對應殼溫增幅相對結溫增幅較小外，殼溫變化量的增長趨勢與結溫變化量增長趨勢相同，即殼溫總體隨芯片M焊料層脫落度增加而升高，但芯片M殼溫的上升速度明顯低于左右兩側芯片殼溫上升的速度。通過結溫和殼溫的變化，可以看出多芯片并聯IGBT模塊在芯片焊料層老化下總體變化趨勢與單芯片開關模塊類似，即模塊整體溫度上升，但老化芯片并沒有因為芯片焊料層有效導熱面積的減少而出現顯著的溫度上升。

當芯片M焊料層脫落度增加時，IGBT模塊的導通壓降CE_on變化如圖9c所示，隨著芯片M焊料層脫落度增加呈增長趨勢，但增量相對較小，當中間芯片焊料層脫落度為23%時，即熱阻增加24%時，CE_on增量約為0.1V。各芯片電流的變化如圖9d所示。當模塊處于健康狀態時，流經各芯片電流基本相等。當芯片M焊料層脫落度為23%時，流經芯片M電流隨脫落度的增加而減小，減幅較大，減少了8A，而減少的電流則被芯片R和芯片L均分。因此流經左右兩側芯片的電流不斷增大且基板保持相等。IGBT模塊的不均流現象隨芯片焊料層老化程度的加深而愈發嚴重，這與理論分析結果一致。當IGBT模塊導通時，IGBT芯片的功率損耗（loss）可由式（21）計算得到，各芯片導通功率損耗隨中間芯片焊料層老化的變化如圖9e所示，隨芯片M焊料層老化程度增加，芯片R和芯片L功率損耗在增幅保持一致下不斷增加，而芯片M功率損耗不斷減少。各芯片功率損耗變化趨勢與流經各芯片電流的變化趨勢相同。

由于流經各芯片電流隨芯片M焊料層老化而變化，而芯片鍵合線電流產生的Bmax與芯片電流成正比，因此Bmax變化也與芯片電流變化趨勢相同，如圖9f所示。隨著芯片M焊料層脫落度的增加，芯片M鍵合線產生的Bmax_M不斷減小，而芯片R和芯片L鍵合線產生的Bmax_R不斷增大并保持大小一致，增量之和幾乎等于Bmax_M的減量。

綜上分析，隨芯片焊料層脫落度增加，老化芯片對應熱阻增大，結溫上升，引起老化芯片導通電阻增大，IGBT模塊電流重新分配。健康芯片電流增大，引起功率損耗增大，進而相應結溫上升；老化芯片電流減小，相應功率損耗減小，但由于熱阻增大及其余芯片的熱耦合作用，芯片結溫仍然保持上升狀態。模塊整體溫度升高，其導通壓降增大；由于每個芯片對應的磁感應強度最大值與芯片電流成正比，其變化趨勢與芯片電流變化趨勢相同。

由以上分析可知，結溫、殼溫、導通電流、導通功率損耗和磁感應強度均對芯片焊料層老化具有一定靈敏度，均可作為老化特征參量。對于焊料層失效，通常使用的失效標準為熱阻增加20%即認為失效[18]。同時，對于多芯片并聯模塊，當其中10%的芯片失效，可認為模塊整體失效[11,19]。針對多芯片并聯模塊，當其中一個芯片的熱阻增加20%時即認為芯片失效，此時IGBT模塊也失效。將一個芯片熱阻增加24%時，即脫落度為23%時的電、熱、磁特征參量值作為芯片焊料層老化相對靈敏度比較的失效基準，根據式（22）計算并對比在穩態導通狀態下老化特征參量的相對靈敏度，見表7。

表7 老化特征參量的相對靈敏度比較

表7所示中間芯片焊料層老化時電、熱、磁特征參量相對靈敏度中，各芯片Bmax相對靈敏度值均高于其CE、j、c以及Ci相對靈敏度值，而與loss相比，雖然二者均在老化芯片上均表現為負增長，與健康芯片上的正增長不同，但在老化芯片，即中間芯片上Bmax相對靈敏度明顯高于其loss的相對靈敏度，甚至高于健康芯片loss的相對靈敏度，因此老化芯片Bmax對其焊料層老化最為敏感。此外，由圖10可知，當改變環境溫度時，磁感應強度不會隨環境溫度變化而變化，因此磁感應強度相較結溫和殼溫有較好的準確性，不會因環境溫度變化造成誤判，影響狀態評估的準確性。與導通電流相比，磁感應強度的測量不用與模塊電路直接接觸，對模塊正常運行影響較小。綜上所述，從老化靈敏度和測量可行性上相較現有的老化特征參量，磁感應強度更適合作為多芯片并聯模塊的焊料層老化狀態監測變量。

圖10 環境溫度對磁感應強度的影響

3.2 鍵合線脫落

當多芯片并聯IGBT模塊處于健康狀態時，中間芯片結溫最高，由于熱傳導效應，其鍵合線溫度最高，且最右側鍵合線溫度高于其余鍵合線溫度。研究所用IGBT模塊中三個芯片并聯構成一個開關，每個芯片上有8根鍵合線。考慮到鍵合線溫度越高，承受熱應力越大，溫度最高的鍵合線最脆弱，越容易出現脫落，因此通過有限元模型模擬結溫最高的芯片M的鍵合線從右向左依次脫落0、1、2、…7根，以研究鍵合線老化程度增加時多芯片并聯IGBT模塊電熱磁特征參量的變化規律。

當芯片M鍵合線0～7根逐個脫落時，芯片R和L對應結溫隨之上升，芯片M對應結溫略有降低，減量僅為0.67℃。三個芯片的結溫差距在不斷縮小，直到第7根鍵合線脫落，最高結溫出現在芯片R上，如圖11a所示。由于熱傳導作用，結溫改變引起殼溫變化，殼溫的變化趨勢與結溫相同，變化量與結溫變化量相比較小，如圖11b所示。

當芯片M鍵合線由右向左脫落根數增加時，在模塊總電流不變情況下，由于芯片M鍵合線電阻增大，引起模塊總電阻增大，從而導致多芯片并聯IGBT模塊導通壓降增大，如圖11c所示，由1.416V增大到1.461V，增量為0.045V。流經芯片R和芯片L上電流不斷增大，增量均為1.5A，而芯片M電流不斷減小，減少的量為其余芯片增量之和，如圖11d所示。

當芯片M鍵合線從右向左脫落根數增加時，每個芯片鍵合線所產生的Bmax變化趨勢如圖11f所示。芯片M鍵合線所激發的Bmax_M隨脫落根數增加而明顯增大，脫落第7根時增量達到262.7μT，主要是因為剩余鍵合線中的電流不斷經過重新分配后增大。芯片R和L鍵合線所激發的Bmax_R和Bmax_L在前6根鍵合線脫落時基本保持不變，在第7根脫落時略有增加，但增量較小，僅為27.6μT和33.5μT。此外，芯片M鍵合線前4根鍵合線即50%的鍵合線脫落時?Bmax_M變化較為明顯，但在后50%鍵合線脫落時變化較小，即后50%鍵合線每根脫落前后Bmax_M差值較小。

綜上分析，隨著芯片鍵合線脫落根數增加，老化芯片結溫和殼溫基本保持不變，其電流減少，剩余每根鍵合線電流增大，鍵合線所激發的磁感應強度最大值也增大；其余芯片結溫、殼溫、電流略有增加，鍵合線所激發的磁感應強度最大值基本保持不變；由于總導通電阻增大，模塊導通壓降增大。

現有研究表明，當芯片上70%的鍵合線脫落時，盡管IGBT芯片仍能使用，但由于剩余鍵合線的電流和溫度加速上升，其剩余壽命非常短，可認為芯片失效[20-21]。研究所用模塊每個開關由三個芯片并聯，每個芯片有8根鍵合線，當模塊中一個芯片的鍵合線脫落6根時即認為芯片失效，此時IGBT模塊也失效。將一個芯片6根鍵合線脫落時的特征參量值作為鍵合線脫落相對靈敏度比較的失效基準，根據式（22）計算并對比在穩態導通狀態下常用于監測鍵合線脫落狀態的老化特征參量的相對靈敏度，老化特征參量的相對靈敏度比較見表8。在老化特征參量的相對靈敏度比較中，Bmax對鍵合線脫落最為敏感，在達到失效標準時老化芯片的磁感應強度有33.9%的變化，同時老化芯片的變化明顯高于其余健康芯片。此外，Bmax增加主要是由于鍵合線數量減少引起剩余鍵合線電流的增大，所以Bmax在少量鍵合線脫落下也有明顯變化。多芯片并聯IGBT模塊在整體狀態保持不變時，Bmax不受環境溫度變化的影響，如圖12所示。因此，本文提出的磁感應強度，從老化靈敏度和測量可行性上相較現有的老化特征參量，更適合作為多芯片并聯模塊的鍵合線老化狀態監測變量。

表8 老化特征參量的相對靈敏度比較

圖12 IGBT模塊磁感應強度分布與環境溫度的關系

3.3 實驗驗證

為了驗證所提出的基于磁感應強度變化監測多芯片并聯IGBT模塊狀態方法的有效性，通過剪切鍵合線模擬多芯片并聯IGBT模塊內部不均勻鍵合線老化，并在恒導通狀態下測量Bmax。根據表9所列IGBT模塊老化程度將鍵合線逐根剪斷，在IGBT模塊穩態導通并達到熱穩定時，使用高斯計測量每個芯片鍵合線在硅凝膠測量平面單軸向磁感應強度峰值Bmax，如圖13所示。實驗測量結果如圖14所示。雖然實驗測量Bmax較仿真結果整體偏小，但整體變化趨勢與仿真結果基本一致：當一個芯片出現鍵合線脫落，其Bmax立刻出現明顯增長，而其余未出現鍵合線脫落的芯片的Bmax基本保持不變。

表9 不同老化程度下芯片鍵合線脫落根數

圖13 Bxmax仿真值的變化

圖14 Bxmax實測值的變化

圖15顯示了老化芯片當下狀態和健康狀態磁感應強度差值ΔBmax的實測值與仿真值對比，不論是實測值還是仿真值均表明每次鍵合線脫落伴隨著ΔBmax的明顯增長，并且二者幅值大致相等，因此通過磁感應強度變化可以對多芯片并聯IGBT模塊鍵合線脫落進行量化分析。

圖15 不同老化程度下ΔBxmax仿真值和實測值對比

4 結論

本文基于多芯片IGBT模塊穩態導通等效電路模型分析了模塊電、熱、磁外特征參量在模塊老化失效過程中的變化特性，建立模塊電-熱-磁三維有限元模型，仿真分析得到模塊芯片焊料層老化和鍵合線脫落中電、熱、磁特征參量的變化規律，通過老化響應靈敏度和可觀性比較，表明了磁感應強度變化適用于多芯片器件狀態監測。

在模塊老化規律研究中，通過仿真發現，不同于單芯片模塊，多芯片并聯模塊單個芯片焊料層老化時，老化芯片的結溫增幅較小并且功率損耗不斷減少。在芯片焊料層脫落時，對比分析結溫、殼溫、導通電流、功率損耗和磁感應強度的相對靈敏度，發現磁感應強度對芯片焊料層老化的靈敏度最高，同時測量結果不受環境溫度的影響，并且在測量時可以避免與模塊的直接接觸，對模塊的正常運行影響較小，因此利用磁感應強度變化監測多芯片模塊內部芯片焊料層老化具有較高的可行性和實用性。

針對芯片鍵合線脫落，不論老化芯片的結溫、殼溫、電流、功率損耗還是模塊導通電壓在前期少量鍵合線脫落時均沒有明顯變化，但老化芯片剩余鍵合線產生的磁感應強度卻明顯增大。此外，在芯片上70%的鍵合線脫落的失效標準下，磁感應強度變化具有33.9%的相對靈敏度，遠高于其他老化特征參量的相對靈敏度，更適合作為多芯片并聯IGBT模塊老化狀態監測的特征參量。

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Selection of Aging Characteristic Parameter for Multi-Chips Parallel IGBT Module

Ding Xueni Chen Minyou Lai Wei Luo Dan Wei Yunhai

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

Multi-chips parallel Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) is the key device of large-capacity power electronic equipment, and its operational reliability has been widely concerned by the industry. Selecting the characteristic parameter which can characterize the aging state of multi-chips parallel IGBT devices is very important for the active maintenance and improvement of reliability of the system. In this paper, the effects of solder layer aging and bond wire lift-off on the electro-thermal-magnetic characteristics of the Infineon's 1.7kV multi-chips parallel IGBT module are analyzed, and the magnetic flux density is proposed as the characteristic parameter for condition monitoring of the multi-chips parallel IGBT module fatigue failure. Firstly, the steady-state conduction equivalent circuit of multi-chips parallel IGBT module was established, and the coupling relationship between module degradation and magnetic flux density was qualitatively analyzed. Secondly, based on the three-dimensional electro-thermal-magnetic finite element model, the variation and sensitivity of electro-thermal-magnetic parameters of multi-chips parallel IGBT module during aging failure process were studied. Results show that the magnetic flux density has the highest sensitivity in both failure modes, and is not affected by the change of ambient temperature. In addition, direct contact with the module circuit can be avoided during the measurement, which has little impact on the normal operation of the module. Therefore, magnetic flux density is suitable to be used as the characteristic parameter for condition monitoring of multi-chips parallel power module.

Multi-chips parallel IGBT module, magnetic flux density, aging characteristic parameter, condition monitoring

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.210792

TM 46

國家重點研發計劃（2018YFB0905800）、中央高校基本科研業務費（2020CDJQY-A026）和國家自然科學基金（51707024）資助項目。

2021-06-01

2021-08-04

丁雪妮 女，1994年生，碩士，研究方向為功率半導體器件可靠性。E-mail：dingxn@cqu.edu.cn

賴 偉 男，1986年生，博士，副教授，研究方向為電力電子器件可靠性壽命建模和狀態監測研究。E-mail：laiweicqu@126.com（通信作者）

（編輯 郭麗軍）