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基于結溫補償的IGBT模塊鍵合線失效監測方法

作者:海飛樂技術 時間:2020-01-03 17:51

  應用最廣泛的塑封型IGBT模塊由多層材料組成,其中鍵合線一般使用鋁線或鋁合金制作,DBC上銅層與芯片頂部鋁焊盤依靠鍵合線實現電氣連接。在反復受到電-熱-機械應力的沖擊后,由于各層材料的熱膨脹系數不匹配,塑性應變在外力撤銷后不能完全消失,最終導致鍵合線斷裂、脫落等故障。受鍵合線物理結構限制,難以監測其故障行為,但鍵合線失效與IGBT模塊外部的電氣參數有著直接的內在關系。因此,鍵合線的失效可通過監測這些參數間接地判斷出來。
  利用通態壓降估計結溫是目前應用最廣泛的方法之一。但利用通態壓降估計結溫時,由于IGBT模塊內部互連材料的溫度低于芯片溫度,導致結溫估計存在誤差。針對鍵合線失效監測,提出了一種考慮IGBT模塊內部互連材料等效電阻的影響,從而有效補償結溫的方法。分別估算出補償前后的結溫值,并與紅外場掃描儀所測實時數據進行對比分析,驗證該方法的有效性。通過模擬鍵合線失效進程,確定鍵合線失效閾值,建立補償后的失效基準面及査閱表,得到診斷器件失效的普遍方法。因此,只要獲取同批次模塊內部互連材料的等效電阻,便可利用此方法進行鍵合線的失效監測,為后續研究提供了參考。
 
1. 原理與設計
1.1 IGBT內部互連材料等效電阻分析
  圖1為型號為SKM75GB12T4的IGBT模塊拆封后內部寄生參數等效電路圖。

內部寄生參數等效電路圖 
  從集電極接線端子到發射極接線端子間包括銅片、焊料、鍵合引線等一系列互連材料。在實際運行中,IGBT模塊需保持封裝結構的完整性,一般方法測量得到的通態壓降會受到發射極引腳與集電極引腳間互連材料的影響,導致利用該壓降估計的結溫存在誤差。由于采用Uce_on估計結溫,不存在寄生電容和電感的問題,故只需考慮材料電阻的影響。
計算公式1 
式中:Uce_chip為芯片通態壓降;Req為內部互連材料的等效電阻;Ic為集電極電流。
  由此可知,在利用Uce_on估計結溫時,考慮內部互連材料電阻的影響是十分必要的。
 
1.2 等效電阻補償方法
  圖2為被測IGBT模塊在不同溫度下的I/U特性曲線,由恒溫箱、直流電源、電子負載、六位半精密萬用表等儀器構建的測試系統獲得。
不同溫度下的I/U特性曲線 
圖2 不同溫度下的I/U特性曲線
  由圖2可知,交點電流I=19.5A,且該點電壓與溫度無關。當Ic<I時,Uce_on與溫度呈負相關,具有負溫度系數;當Ic>I時,Uce_on與溫度呈正相關,具有正溫度系數。
  根據圖2數據,采用多項式擬合方法,在不同電流水平下獲取溫度隨Uce_on變化的斜率因子k,即溫度系數,如圖3所示。在未考慮內部材料影響的情況下,利用Uce_on來估計結溫Tj的公式如下:
計算公式2
式中:Uce_on_m為實時測量的通態壓降;Uce_on_B(/)為由I/U特性曲線獲得的在特定電流下的基準電壓值;TB為基準溫度。
不同電流下的溫度系數 
圖3 不同電流下的溫度系數
  實際測量中,由于互連材料均為金屬導體,故電阻隨溫度變化成正比,且平均溫度小于芯片溫度。因此,在高電流下,利用實際獲取的估算的結溫值與真實結溫存在偏差為了補償這個偏差,就要考慮互連材料因溫度引起的壓降變化,該變化可由式(3)表示,式(4)為補償后的結溫估算公式。
計算公式3 
式中:a為互連材料的平均電阻溫度系數;Tj_real為補償后的估算結溫。
計算公式4 
采用6500B精密阻抗分析儀和恒溫實驗箱測量IGBT互連材料電阻。圖4為鍵合線脫落不同根數后,內部互連材料經擬合得到的Req與T的關系圖。由圖可知,a≈0.006ppm/℃。
Req與T的關系圖
圖4 Req與T的關系圖
 
2. 實驗
  為驗證IGBT模塊內部互連材料等效電阻補償方法的正確性,采用DMM4050六位半高精密數字萬用表及Labview軟件對IGBT模塊Uce_on進行實時記錄,同時利用溫場掃描儀的紅外測溫探頭對芯片溫度進行同步監測,其分辨率為±0.3℃。為了準確獲取實驗數據,被測IGBT打開封裝且完全去除硅膠。
  圖5為當Ic分別為25A和35A時,補償前后的估算結溫與溫場掃描儀實時檢測到的結溫對比圖。其中k=2.553,a=0.006ppm/℃:,基準溫度TB為室溫25℃,門極驅動電壓為15V,電子負載采用恒流模式??梢?,隨著時間的不斷增加,補償前后的結溫值差值也不斷增大。當Ic=2A時,在測量時間內補償前后結溫最高相差9.84℃,且補償后最低的估算結溫為30.2℃,最高的估算結溫為100.2℃,相對于紅外場掃描儀的測量值而言,誤差小于1.8℃。當Ic=35A時,測量期內補償前后結溫值最高相差11.6℃,最低相差0.8℃。補償后最高估算結溫為90.7℃,測量值最高溫度為92℃,最大誤差為1.3℃??梢?,在利用該方法估算IGBT模塊結溫時,內部互連材料等效電阻很大程度上影響著估算的結果,且補償后的估算溫度值與實測值吻合度很好。因此,可將此方法進一步應用于IGBT模塊失效監測研究中。
結溫對比圖 
圖5 結溫對比圖
  IGBT鍵合線疲勞、芯片金屬化重構等故障可以通過測量剪應力或裂紋長度直接評估,但通常需要特殊的設備,且只能通過離線測量來實現。通過人為設置鍵合線故障來模擬實際應用中鍵合線失效情況,有文獻也證實了該方法的可行性。圖6所示為測試電流I=40A時,鍵合線脫落不同根數后Uce_on的增長情況。
鍵合線脫落根數與通態壓降關系 
圖6 鍵合線脫落根數與通態壓降關系
  第1條引線脫落后,Uce_on平均增長約5.6mV,增長率約為0.3%,第2條引線至第5條引線脫落后,通態壓降的平均增長率分別為0.8%,1.4%,3.2%,7.5%。隨著鍵合線根數不斷減小,有效電流集中在剩余幾根引線上,導致芯片結溫能達到的溫度逐漸增高。有文獻利用人為設置鍵合線故障的方法和老化試驗法將IGBT模塊Uce_on上升7%和5%作為判斷鍵合線失效的閾值,結合研究結果,在鍵合線脫落4至5根時急劇增加,說明此時IGBT模塊已經不再適合繼續工作,因此將識別型號為SKM75GB12T4的IGBT模塊Uce_on增長設置為鍵合線最終的失效基準。
  考慮到被測IGBT模塊額定電流為75A,測試給定電流分別為28A,30A,32A,34A,36A,38A,40A。如圖7所示,以鍵合線脫落1根時為例,利用Uce_on,Ic,T,3個特征參數繪制三維圖??梢?,補償后估算溫度比補償前平均高5.43℃。前面己證實,在考慮內部材料等效電阻壓降的影響時估算的結溫更為接近IGBT模塊芯片的真實結溫,所以將利用下方曲面作為監測IGBT模塊鍵合線失效狀態的基準面。
剪斷1根鍵合線時補償前后關系圖 
圖7 剪斷1根鍵合線時補償前后關系圖
  采集不同鍵合線狀態下的測試Uce_on,并估算出補償后的結溫,繪制IGBT模塊在完好和不同故障程度下的三維曲面以及失效基準面(Uce_on增長5%),如圖8所示。脫落不同程度鍵合線的IGBT三維曲面與完好的IGBT三維曲面相比,具有顯著的上升趨勢,且隨著鍵合線故障根數越多,區分越明顯。當監測數據高于失效基面時,即可認為IGBT功率模塊鍵合線失效。
補償后完好與剪斷1-5根鍵合線 
圖8 補償后完好與剪斷1-5根鍵合線
  IGBT鍵合線失效監測流程圖如下:首先要獲取Req和Uce_on,然后利用結溫補償公式估算出Tj,再建立鍵合線不同狀態下的查閱表,最后在線測得待監測IGBT模塊的Uce,估算Tj,將該數據與查閱表中數據進行對比,判斷IGBT模塊的失效情況,若數據高于失效基面(增加5%),則發出故障提醒信號。
  隨著現在集成技術的不斷發展,該方法可以推廣到集成了其他功能的IGBT模塊中去,只要獲取同批次模塊內部互連材料的等效電阻,便可利用此方法進行結溫的準確估計,并判斷鍵合線狀態,為后續研究提供了參考。值得注意的是,此研究中鍵合線的脫落是人為設置的故障,即不涉及焊料疲勞和芯片老化等影響,同時可以縮短實驗時間。在接下來的研究中可以利用提出的經驗方法,對故障機制的建立進行進一步研究。
 
3. 結論
  此處提出了一種考慮模塊內部互連材料等效電阻的影響來估算結溫的方法,并通過實驗驗證了該方法所估測的結溫更接近模塊芯片的真實溫度。應用此方法建立IGBT模塊鍵合線失效的三維基面,針對鍵合線失效的IGBT模塊進行狀態監測研究。根據研究內容,得到結論如下:①IGBT模塊內部互聯材料的等效電阻溫度低于芯片溫度,利用通態壓降估測結溫會產生誤差。在結溫估測公式中考慮等效電阻引起的壓降后,估算出的結溫值更為接近芯片真實溫度;②以所選模塊為例,當鍵合線脫落1根時,外部特征參數變化不明顯,當脫落4根后,可觀察到通態壓降增幅明顯升高。通過實驗結果及參考其他文獻,得出當通態壓降增大5%時,認為該模塊不再適合正常工作,需要及時進行維護和更換;③基于IGBT模塊內部互連材料等效電阻補償方法,繪制鍵合線失效基準曲面,通過建立査閱表數據與所測實時數據對比,判斷鍵合線狀態,為IGBT的失效監測提供了更為可靠的依據;④利用經驗方法,可對IGBT模塊故障機制的充分建立進行進一步研究。




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