SiC单管并联模组功率循环及失效机理研究

第56卷第8期2022年8月魏兆阳',王佳宁12,黄耀东',樊志鑫1WEIZhaoyangWANGJianingHUANGYaodongFANZhiHefeiUniversityofTechnologyNationalandLocalJointEngineeriAbstractSiliconcarbideSiCmcharacteristicsisgraduallyreplacingsiliconSibasereliabilityhasbeenthefocusofresearchThepowercyclingtestisaneofthecurrentresearchobjectsareindependentdiscreteorcreteistakenceramicpiecesthermalgreaselaminatedbthroughthepowercyclingtesttoevaluateitsoverallreliabilitythermalresistancedegradationdegreeofthermalgreasearemeasurshowthatthethermalresistanceoftheSiCMOSFETjunctiontothecaseremainsbascyclingtestthefailureofthemoduleiscausedbytheincreaseinthwhichcausesthejunctiontemperaturetoincreaseandfinallyleadsFoundationProjectSupportedbyNationalNaturalScienceFoundationGeneralProgrInstituteofEnergyatHefeiCo近年来，由于SiCMOSFET耐高温、耐高压、高开关速度、低损耗的优越特性，已广泛应用于电动汽车驱动器Ⅱ。在此运用中，其长期运行的可靠性问题成为了关注的焦点。功率循环试验是评估功率半导体器件可靠性最常用的加速老化试验，通过负载电流控制待测器件结温周期性的快速变化达到加速老化的效果，其测试结果在一定程度上可反映真实工况下的可靠性。虽然SiCMOSFET存在阈值电压不稳定的特性，导致传统Si基器件的功率循环试验方法不能完全应用于SiCMOSFET,但目前针对SiCMOSFET的功率循环试验及失效机理也已有了较多研究。文献[2]通过功率循环试验探究了SiCMOSFET单管在正向导通和体二极管导通模式下的失效机理。文献[3]通过改进功率循环试验中导通电阻Rm监测方法实现了SiCMOSFET芯片老化及封装老化的独立评估。文献[4]分析了功率ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouseAllrigh2022年8月循环试验中的不同负载电流密度对SiCMOSFET模块键合线老化的影响。然而，目前大多文献中功率循环的试验对象仅仅针对独立的单管或模块，所关注的失效位置也仅仅是器件内部的键合线和焊料层，而在实际应用中，例如电动汽车驱动器，功率半导体器件通常是通过导热硅脂等热界面材料贴在水冷散热器上，在这样的系统级模组装置中，器件内部焊料层及外部导热硅脂的老化都会造成器件热阻增大从而导致结温超限而损坏，因此，对于器件外部导热硅脂的可靠性评估同样重要。将整个系统级模组装置作为功率循环的试验对象，所得到的测试结果将与实际结果更相符合。此处将已实际应用于电动汽车驱动器中的单管并联模组作为测试对象进行功率循环试验，并通过结构函数法实现模组整体热阻的监测以及导热硅脂热阻退化程度的判断。最后，基于试验结果分析了模组的失效机理，揭示了影响模组可靠性的主要因素。2SiCMOSFET单管并联模组结构图1为所研究的三相SiCMOSFET单管并联模组其中一相拓扑结构，每相上桥臂和下桥臂均由6个TO-247封装的SiCMOSFET单管并联组成，所有单管一一对称布局于叠层母排上，所述叠层母排包括直流正极母排、直流负极母排、交流母排，3层母排通过绝缘材料实现叠层设置，每相上桥臂并联单管的漏极(D)均与叠层母排的直流正极母排连接，每相下桥臂并联单管的源极(S)均与叠层母排的直流负极母排连接，每相上桥臂并联单管的S与下桥臂并联单管的D均与交流母排连接。模组中每相上、下桥臂的所有单管均通过导热硅脂和陶瓷片贴于同一个水冷散热器的正反3.1结温测量功率循环试验中需要对结温7进行在线监测，常用的结温测量方法是通过测量温敏电参数来间接测量结温,因此在功率循环试验前需要对于SiCMOSFET存在阈值电压漂移效应，导致导管压降作为SiCMOSFET的温敏参数。温敏参数校准原理如图2所示，将待测模组放入恒温箱中，当恒温箱温度达到设定值并稳定30min后，通入200mA的测试电流，测量该温度点下并联单管的体二极管压降。为保证消除阈值电压漂移效应对校准结果的影响，必须选择合适的栅极电压保证沟道完全关断，温敏参数校准结果如图3所示，当栅极电压小于-5V时，校准曲线不再发生变化，因此该次试验选用-5V的栅极电压。FigCalibrationcurvesoftemperaturesensitivepara3.2试验电路模组中单个桥臂的功率循环测试电路如图4所示，当栅极施加20V的电压信号时，辅助开关闭合，6个并联的MOSFET均处于正向导通模式，MOSFET在负载电流的作用下产生较大的功耗，此时结温处于上升过程；当栅极施加-5V的电压信号时，辅助开关断开，6个并联的MOSFET均处于体二极管导通模式，测量电流流入MOSFET进行结温测量，由于100mA的测量电流所产生的功ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouseAllri验所使用的功率循环测试台MicReDPowerTester1500A/8V包括进行电流控制、驱动控制、信号采集以及水冷控制。FigSchematicdiagramofpo3.3基于结构函数法的热阻测量由于器件内部芯片和焊料层的热膨胀系(CTE)不匹配程度最为严重，因此焊料层最容易受到热应力的影响发生老化，导致器件结-壳热阻增大161。此外，所测试的模组中，各个并联单管均通过两层导热硅脂贴在水冷散热器上，由于导热硅脂并非固体，相对于焊料层更容易受到热应力的影响产生位移，造成导热硅脂分布不均，导致单管外壳-散热器热阻增大。焊料层和导热硅脂层的热阻增大均会造成模组中各个并联单管的T;及结温波动dT]增大从而加速老化进程。因此，热阻的增量可作为焊料层和导热硅脂的失效表征，在功率循环试验中需要对模组热阻进行实时监测。AQG-324测试标准中所讲述的传统热电偶测试方法是目前功率循环试验中使用最普遍的，结-散热器热阻Rb。,计算公式如下：该方法需要在散热器中开孔放置热电偶用于测量T。这种测试方法优点是操作简单，缺点是热电偶放置位置对测量结果影响较大，并且由于所测试的单管并联模组结构特殊，并无可以放置热电偶的位置，因此传统的热电偶测试热阻方法并不适用。此处采用结构函数法17)进行热阻测量，该方法无需用热电偶进行壳温T.测量并且可以实现焊料层和导热硅脂热阻退化程度的判断。通过对器件瞬态热阻抗曲线进行微分、反卷积、离散化处理、热网络模型转换等一系列数学变换后可得到积分结构函数曲线，如图5所示。瞬态阻抗Z,计算公式如下：积分结构函数是芯片到散热器的热容-热阻函数，曲线上斜率较小的区域代表热阻大、热容小的结构，曲线上斜率大的区域代表热阻小、热容大的结构，在结构函数的末端，其值趋向于一条垂直的渐近线，此时代表热流传导到了空气，由于空气的体积无穷大，因此热容也就无穷大，从原点到这条渐近线之间的X值就是结到空气的热阻Rb.j,这条渐近线在x轴上的平移距离表示模组整体热阻的增量。理论上可以通过积分结构函数曲线的斜率变化确定模组各层结构的热阻，但实际上，由于测量误差和噪声的影响，所获得的积分结构函数曲线上一些区域斜率的变化并不完全是模组内部结构热阻、热容真实的变化，并且模组中导热硅脂、陶瓷片、散热器结构的积分结构函数斜率变化并不明显，无法进行准确的划分。因此，在功率循环试验前通过JESD51-14标准中的瞬态双界面法测量模组中各个并联单管的结-壳热阻，并根据计算得到的模组中单管并联结-壳热阻的等效值Rb.r,可在积分结构函数中确定并联结-壳热容等效值Ch,,因而可以准确在结构函数中划分模组结构区域，如图5所示。每隔一定功率循环周期进行一次结构函数测量，当仅有导热硅脂发生老化时，积分结构函数曲线会在导热硅脂-环境热阻区域处发生分离，此时模组整体热阻的增量即为导热硅脂热阻的增量；当焊料层ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouseAllrighNNr第56卷第8期电力电子技术NNr2022年8月PowerElectronicsAugust2022发生老化时，积分结构函数会在芯片-铜基板(结-壳)热阻区域发生分离，此时读取C,n在积分结构函数曲线上对应的横坐标，即为焊料层老化后并联结-壳热阻等效值。此方法中认为焊料层老化时Cu,,保持不变，但实际上根据当焊料层产生空洞或裂纹时其热容会减小，即积分结构函数曲线会向右下方偏移，所测得的焊料层热阻增量会偏大，因此该方法仅可定性分析在功率循环试验中模组焊料层和导热硅脂的退化程度，若要准确地确定模组焊料层的热阻增量，必须在功率循环试验结束后再次测量模组各个并联单管的结-壳热阻值。3.4试验条件此处选用三相模组其中一相的上桥臂和下桥臂作为两组功率循环试验的测试对象，功率循环试验条件：上桥臂负载电流1m=375A;下桥臂1mt=385A;上桥臂与下桥臂导通/关断时间To/T均为2s/4s;上桥臂与下桥臂最大结温Tm.均为123℃;上桥臂与下桥臂最小结温Tmo均为27℃;上桥臂与下桥臂结温波动△T,均为96K;上桥臂与下桥臂栅极电压Uc均为20V/-5V。为保证有效监测模组热阻变化情况，设定每隔500次循环周期进行一次瞬态阻抗测试，同时将瞬态阻抗曲线转化为结构函数读取热阻值，瞬态阻抗测试条件：上桥臂1t=300A;下桥臂1=311A;上桥臂与下桥臂T/T。均为100s/100s;上桥臂与下桥臂T.均为122℃;上桥臂与下桥臂T。均为27℃;上桥臂与下桥臂△T;均为95K;上桥臂与下桥臂Uc均为20V/-5V。功率循环试验中模组Um的变化可反映键合线的老化状态，因此需要实时监测，但功率循环设备中的Um是在结温上升阶段测量的，因此为避免SiCMOSFET导通电阻正温度系数对键合线老化评估的影响，需要每隔5000次循环周期，通过静态参数测试仪HUSTEC-2000A-MT在冷却状态下(T=25℃)进行一次Ux.测试。4试验结果及失效分析两组功率循环试验结温波动△T,△U及R.变化趋势见图6,其中△Um及模组整体Ra,已进行归一化处理。两组测试结果中，上桥臂各参数在试验初期呈现缓慢增大趋势，到试验后期增长速度开始上升；下桥臂各参数试验初期变化趋势与上桥臂相同，试验中期增长速度开始上升。键合线的老化和结温的升高都会导致△Uxn的增长。根据表1中测试结果，试验初期模组在冷却状态下测试的△U并未发生变化，因此在试验初期热阻增大引起的结温升高是导致△Um增长的主要原因。当键合线老化引起△Um增长时，由于导通电阻Rn具有正温度系数，功率损耗会增大，导波动△T,△Um的增长速度加快。与表1Um测试结果N0下桥臂0模组上桥臂和下桥臂功率循环试验前后的积分结构函数曲线如图7所示，其分离点均出现在导热硅脂-环境热阻区域，结-壳热阻区域曲线重合度较高，因此热阻的增长是由导热硅脂老化导致，而各个并联单管的焊料层在功率循环试验中并未发生老化，模组功率循环试验前后结-壳热阻及导热硅脂热阻变化如表2所示。N₁N上桥臂下桥臂△Rh.s/%00000000根据AQG-324标准中的失效标准，当导通压ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouseAllri降的增量达到5%或者热阻的增量达到20%时认为器件失效。在N=65007时，上桥臂导通压降U的增量超过5%,此时整体热阻增量为7.59%;N=32497时，下桥臂Um的增量达到4.9%,此时整体热阻增量为9.47%,因此两组测试对象的失效模式均为键合线失效。此处对已应用于电动汽车驱动器中的SiCMOSFET单管并联模组进行功率循环试验，通过结构函数法监测模组整体热阻的变化并实现导热硅脂老化程度的判断。从试验结果中得到结论：在功率循环试验中，各并联单管结-壳热阻基本未发生变化，导热硅脂的老化导致模组整体热阻的增大，引起结温波动△T)的升高，由于Rdm具有正温度系数，正反馈机制的效应加速了键合线的老化速度，最终导致键合线先发生失效。模组下桥臂导热硅脂老化速度更快的原因尚不明确，下一步将对导热硅脂的失效机理进行深入研究，并提出模组结构的改进方法。参考文献ofThresholdVoltageShifetinH[3]陈杰，邓二平，赵子轩，等.不同老化试验方法下SiCMOSFET失效机理分析[J].电工技术学报，2020,ofCurrentDensityInfluenceonRateinSiCMOSFETModulesIEEE