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多芯并联封装IGBT缺陷与失效先导判据
器件由于内部芯片失效而产生IGBT故障，且检测保护困难，大多只能在系统外特性上加以防护，本体还是会受较大损害。高压大功率IGBT模块内部由多芯片和大量键合线构成，器件功能失效很大部分是由铝键合线脱落或者断裂引起的。提早发现或辨知此类缺陷或失效导致的电气特性变化，是构建IGBT故障的先导判据条件，有利于规避潜在故障风险，提高IGBT利用可靠性。
北京交通大学电气工程学院的研究人员黄先进、凌超、孙湖、游小杰，在2019年《电工技术学报》增刊2上撰文，提出了建立栅源回流通路寄生参数等效电路模型，观测内部杂散参数变化对外在工作特性影响的先导判据准则。该判据基于最小二乘参数辨识方法，对6.5kV多芯并联IGBT模块内部芯片与键合线发生缺陷与失效进行提前判定。
绝缘栅双极晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）是由双极型三极管（Bipolar Junction Transistor, BJT）和绝缘栅型场效应管（MOSFET）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，兼有MOSFET的高输入阻抗和电力晶体管（Giant Transistor, GTR）的低导通压降两方面的优点。
IGBT模块内部封装了多只IGBT和二极管芯片，芯片间通过键合线连接并汇流到模块端子。实际应用中，芯片的性能差异会逐渐累积放大并最终导致通流、耐压、传热等特性异常，外在表现为器件功能性降级或失效。IGBT模块安全可靠运行的前提是预防、检测以及执行保护措施。
由于IGBT模块特别是高压大功率模块工作条件恶劣、运行参数复杂、系统杂散参数多变，IGBT的缺陷诊断遇到很大障碍，且模块内部不易放入测量装置，实时监测杂散参数几乎不可实现。IGBT的失效主要有过电压失效、过电流失效、功率或温度循环失效。
过电压失效产生的主要原因是VCE过电压、栅极过电压、浪涌电压以及静电等因素；过电流失效主要与短路、散热不良、开关频率骤变有关；功率或温度循环失效主要是温度变化较快导致的。
这些失效广泛存在于IGBT的应用场合，器件整体失效表现较为明显，但是内部芯片部分失效或缺陷却难以观测。
由于大功率IGBT模块制程和封装具有很高的技术要求，模块内部特性参数作为厂家的技术核心，不会公布较多细节。从模块内部芯片和焊接线的保护方案，厂家都没有提供。另外，大功率IGBT应用条件复杂，工作特性体现较大的多样性，器件厂家和系统供应商一般只给出通常应用系统级的保护措施，无法给出一种适合装置系统和器件本体的保护方案。
北京交通大学电气工程学院的研究人员提出了一种对IGBT模块本体做出器件级的保护的先导判据，通过辨识模块内部芯片和连线的寄生参数，找出杂散参数变化导致的外特性改变，从而提早发现IGBT的缺陷和失效风险。构建了多芯片并联封装IGBT模块内部杂散参数的栅源通道回流数学模型，分析了键合线参数、芯片布局、栅源电容与门极电阻等影响因子对先导判据的影响，利用最小二乘法对上述杂散参数进行辨识，达到通过外特性准确反映内部参数的变化特性，最终实现IGBT模块内部缺陷与失效的前期判定。
图1 IGBT参数辨识实验原理
图2 IGBT参数辨识双脉冲实验电路
研究人员通过仿真和实验，比对不同故障下的杂散参数变化分布情况，验证了该方法对英飞凌高压大功率IGBT内部故障类型与故障程度判断的有效性。
芯片故障时输入电容参数减小，栅极电阻和杂散电感参数增大。当栅极电阻与杂散电感参数增加10%以上，输入电容参数减小10%以上时，说明内部键合线多数脱落或断裂，也可能是IGBT元胞芯片自身故障，系统故障随时发生，器件应当立即维修或更换。当栅极电阻与杂散电感参数增加小于10%，而输入电容参数变化不大（不超过2%）时，说明内部可能发生了少量铝键合线的故障，系统有故障风险，器件本体应当降级运行或者维修。
以上研究成果发表在2019年《电工技术学报》增刊2，论文标题为“多芯并联封装IGBT缺陷与失效先导判据”，作者为黄先进、凌超、孙湖、游小杰。
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