【精彩论文】焊接型电力电子器件失效机理及量化评估方法

Original 中国电力中国电力 2023-12-18

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罗毅飞，王磊，黄永乐

海军工程大学

引文信息

罗毅飞, 王磊, 黄永乐, 等. 焊接型电力电子器件失效机理及量化评估方法[J]. 中国电力, 2019, 52(9): 38-47.

LUO Yifei, WANG Lei, HUANG Yongle, et al. Failure mechanisms and evaluation methods of power electronic devices[J]. Electric Power, 2019, 52(9): 38-47.

研究背景

电力电子器件是现代电能变换器的核心部件，不仅广泛应用于节能、电力牵引、智能电网等常规应用，还应用于高压直流开断、三深（深空、深海、深地）、三极等极端应用。目前大功率电力电子器件的应用仍留有大量裕量以满足系统可靠性要求，这导致了电能变换器的重量和体积庞大，且大量串/并联设备给电力电子器件控制带来了困难。为了提高器件的功率密度，需要准确地评估功率器件的安全边界，尤其是对于极端应用。因此，电力电子器件的失效评估成为极端应用的重点。

论文所解决的问题及意义

电力电子器件作为现代大功率电能变换装置的核心部件，随着功率等级提升，对其可靠性要求也越来越高，尤其是对装置功率体积密度有较高要求的应用场合，仍然缺乏有效的失效量化评估方法，传统的粗犷式设计已经无法满足要求。因此，为了提高装置的功率体积密度和可靠性，需要对器件的工作机理和可靠性边界进行准确表征。针对焊接型电力电子器件，首先，从器件的失效机理入手，总结归纳了目前焊接型电力电子器件失效研究现状；然后，从器件失效的内部和外部因素两方面分析了电力电子器件的失效机理；最后，从过压失效、过流失效以及疲劳失效3方面，提出了器件的失效量化评估方法，尤其是基于器件物理模型的评估方法，并以二极管和绝缘栅双极晶体管（IGBT）为例进行了验证。所提方法为实现电力电子器件的极限应用提供了支撑。

论文重点内容

本文基于电力电子器件的失效机理和评估方法，提出极限条件下功率器件的应用设计方法。论文主要内容包括：电力电子器件失效机理，从器件的内部机理和外部因素对器件的失效机理进行了分析；基于失效机理和器件物理的电力电子器件失效量化评估方法；验证说明；最后，进行了总结和展望。

1、失效机理

内部机理主要与器件的工艺和材料特性有关，例如缺陷和疲劳。缺陷主要是由制造工艺和封装过程引起的。疲劳和老化主要是由应力条件下器件材料特性退化造成的。因此，它们是制造器件后的固有因素。功率器件的疲劳和老化机制可分为与芯片相关的失效和与封装相关的失效，前者主要来自基于器件物理结构和 Si疲劳的界面疲劳，后者主要来自焊料疲劳和键合线疲劳。

功率器件失效的外部因素主要包括由于控制、外电路等原因引起的电、热和机械引起的失效，准确分析需要获取器件的失效后物理状态和失效前工作条件。电压击穿失效是由一次高能量雪崩或在几次能量累积后的雪崩击穿引起的；过流热击穿失效主要是由过电流引起的高结温，最终导致芯片局部或部分烧坏；疲劳应力失效又分为芯片疲劳和封装疲劳。其中，封装疲劳主要包括焊料层疲劳和键丝疲劳；芯片疲劳主要是界面疲劳。芯片焊料层中常见的微观缺陷形式包括了空洞、焊料裂纹与界面分层3种，不同热应力条件下焊料疲劳失效模式不同，导致材料缺陷演变规律及主要影响因素不同。

在瞬间大电流条件下，IGBT模块芯片焊料层疲劳失效的主要模式是界面裂纹萌生与扩展，如图1所示。该图展示的是芯片边缘的剖面形貌，可以看到，界面裂纹萌生最为明显，且也是从芯片边缘开始。温度波动幅度及温度上升速率是影响界面分层失效的主要因素。键丝疲劳主要是由于键丝受到电热应力不断冲击，键丝反复形变导致的。键丝疲劳会引起接触电阻、键丝间电流分布发生变化，因此可以通过 IGBT集射极饱和压降来监测键丝疲劳失效。

图1 焊料层疲劳缺陷演变

2、失效量化评估方法

电力电子器件失效量化评估需要获取失效机理和器件模型。目前，主要有2种类型的失效评估方法：（1）数学统计方法；（2）物理模型方法。后者更能体现器件的工作机理，本文重点放在物理模型方法上。

数学统计模型主要针对的是器件的疲劳寿命评估，如1953年的Coffin Manson模型、1997年的LESIT模型、2008年的CIPS模型等。本文在现有阿伦尼斯模型的基础上建立了一种考虑结温、电流的改进寿命预测模型，如图 2所示，可以看出，预测精度得到提升。

图2 寿命预测模型的仿真结果

物理模型方法是基于器件半导体物理的一种特性表征方法，可以有效表征器件的实际运行特性，有利于指导器件和装置的可靠性设计，但是需要构建基于电力电子器件的物理模型。本文从3个方面阐述基于物理模型的失效量化评估方法：过压、过流以及疲劳。

（1）针对过压失效的模型评估。

器件过压击穿本质上是内部 PN结的过压击穿。因此，以 PIN二极管续流瞬态反向恢复尖峰电压为例，本文基于半导体物理，建立了PIN二极管在短时续流时的反向恢复电压尖峰模型，验证结果如图3所示，表明模型仿真和实测之间的良好一致性，为PIN功率二极管的反向恢复电压击穿可靠性评估提供了模型支撑。

图 3 不同初始关断电流时的二极管反向恢复尖峰电压模型仿真与实验结果

（2）针对过流失效的 IGBT并联均流评估。

为了提高电力电子装置的功率等级，IGBT模块常常并联使用，而由于模块参数离散性、驱动信号不一致、功率回路不对称等问题，并联 IGBT之间常通常存在动态不均流问题，严重的会引起器件过流失效。因此，建立不均流度与外部电路工况、IGBT内部参数之间的量化关系，对于进一步建立并联 IGBT的失效量化评估模型，进而指导并联 IGBT模块的极限使用，具有重要意义。为了对不均流度进行量化评估，根据建立的 IGBT改进瞬态物理模型及不均流度定义，建立不同参数差异与不均流度之间的量化关系，包括阈值电压差异、栅射极电容差异、米勒电容差异以及杂散电感差异与并联不均流度之间的量化关系，如图4所示。

图 4 IGBT模块内部半导体参数与不均流度之间的关系

最后，基于器件物理模型和材料物理，获得了不同器件参数的状态监测方法。例如，基于封装材料疲劳的饱和压降 Vce的 IGBT健康状态监测模型；从封装材料物理特性的角度，针对焊料层空洞对器件热特性的影响评估，得到不同空洞率 P对器件结壳热阻 Rthjc的影响规律，如图5所示。

图5 芯片焊料层空洞率与结壳热阻的关系

研究结论

本文系统介绍了电力电子器件失效机理和评估方法的研究现状，提出了电力电子器件的失效量化评估方法。对电力电子器件失效机理的分析需要从器件的内部材料特性和外部电路元素2个方面入手；结合半导体器件物理机理，建立了基于模型的器件过压、过流以及疲劳失效的量化表征方法，该方法体现了器件的工作机理，有助于指导器件以及装置的应用设计，尤其是对器件极限应用下的可靠性评估提供了重要支撑。

主要作者介绍

第一作者：罗毅飞（1980—），男，博士，研究员，从事电力电子器件建模与应用可靠性等领域研究。

E-mail：yfluo16@163.com。

第二作者：王磊（1995—），男，硕士研究生，从事高压大功率半导体器件并联均流特性研究。

E-mail：wl6404sq9939@foxmail.com。

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