igb大功率模块结温测量的研究进展

igb大功率模块结温测量的研究进展

0关于igbt功率模块失效的问题绝缘体双极体（igdt）是由mosfi和双极体组成的设备。它在很大的频率应用中占据主导地位，尤其是在含有能源的电气系统中。由于igdt大规模模块故障，风扇装置无法离开管道，导致整个电气系统的运行错误，并可能导致严重的停电事故和严重的经济损失。所以,IGBT模块的可靠性问题尤为重要。可靠性研究中非常重要的是IGBT模块的失效研究和寿命预测,IGBT模块铝键合线和焊料层的老化失效与结温波动直接相关,而且模块寿命与结温波动幅度存在关系,为了进行IGBT的寿命预测,也需监测结温及其波动范围。在实际应用中,IGBT芯片是经过专门封装才构成模块加以应用的,IGBT功率模块分层结构如图1所示。根据失效原因,可把IGBT功率模块失效表现分为两种:与封装有关的失效和与芯片有关的失效。IGBT在实际工作中,结温可能出现较大波动从而引起热循环冲击,因IGBT封装中各层材料间热膨胀系数CTE不一致,在长期热循环冲击下,各层材料之间将发生疲劳老化,并最终导致IGBT铝键合线断裂或脱落而使模块失效。铝键合线脱落属于与封装有关的失效的一种。一般铝键合线通过特殊工艺嵌到硅芯片表面起导流作用,由于铝键合线和硅芯片之间的CTE不一致,结温持续波动将使键合面产生裂纹,裂纹不断扩散最终导致铝键合线脱落。另外一种与封装有关的失效是焊接层老化,国内外对此失效模式已有研究。IGBT模块由多层材料构成,结温持续波动使具有不同热膨胀系数各层材料会产生交变应力而产生疲劳,导致硅芯片与DBC基板之间及DBC与铜基板之间的焊料层产生裂纹,结果模块内部热阻增加,散热能力减弱,而使温度波动更加剧烈,形成正反馈,从而加速了焊料层老化。与芯片有关的失效当中,热载流子注入和热激发与结温关系密切,热载流子注入:在高结温运行过程中,当载流子的能量超出晶格势垒时,热载流子会注入栅极氧化层,造成栅极氧化层损坏;热激发:由Arrenius法则可知,芯片结温升高,热激发过程会加剧,从而加速芯片的失效。IGBT模块的寿命预测中,文献从模块各层形变量与结温波动△Tj的关系入手,建立模块工作到失效的循环次数Nf与△Tj的函数关系以及模块的寿命预测模型,由此可见结温测量的必要性。目前针对IGBT结温的测量方法,国内外文献从IGBT模块的某些物理特征对结温的敏感性入手,建立物理特征量与结温的对应关系来测量结温,但还未研究出比较成熟可行的测量方法,本文对近年来国内外IGBT结温测量技术进行了综述,根据各方法的物理特点归类为四种方法:物理接触法、光学法、温敏参数法和热网络法,并对比分析了各方法的优缺点,最后指出结温测量的发展趋势是实现在线测量。1测量设备的选择直接将热敏电阻或热电偶接触IGBT芯片表面来测量IGBT的结温,如图2所示。如果进行多点测量,可反映出芯片的二维温度分布。优点:简单直接,多点测量时可反映二维温度分布。缺点:需要接触测量;易受封装材料(如硅胶)干扰;响应时间长;需附加测量设备;需改变封装或直接将器件开封;模块内部空间布局有限。2光学法IGBT芯片的发射辐射、反向辐射和受激辐射可作为温敏参数,光纤测温和红外摄像测温就是利用IGBT芯片的辐射特性来测量其结温的。2.1反射光子浓度检测光照到芯片表面的反射系数与芯片结温相关,反射光子的浓度决定于结温。对于像IGBT这样的自发热器件,可用单个光纤探头来检测反射光子浓度,从而实现结温测量。如图3中将Opticalfibers,即光纤温度传感器,对准模块芯片表面,可测量结温。2.2维温度测量红外摄像法测量结温是最常用的光学测温技术。芯片自然辐射的红外射线的光谱与结温存在函数关系,红外摄像机可检测芯片向外发射的光谱,并基于光谱与结温的函数关系测量结温。用红外摄像机对IGBT进行拍照,形成IGBT的热成像图如图4所示,同时显示出图像各区域中的温度大小。优点:非接触式测量;迅速反映温度变化;空间分辨率高;能从多点测量中反映芯片表面的二维温度分布。缺点:必须有光学接触,不适用于全封装模块,而且整套设备价格昂贵。3tsp与结温的相关性IGBT的许多电气特性都具有温度敏感性,比如饱和压降Vcesat、门极开通延时时间tdon、电流变化率(dic/dt)max或电压变化率dVCE/dt等都可作为温度敏感参数(TemperatureSensitiveParameters-TSP),做出TSP与结温的校准曲线,其中tdon与结温正相关(如图5中TSP1线),而其他TSP与结温呈现负相关(如图5中TSP2线)。3.1t与tj校准曲线IGBT在流过特定小电流(Im=100mA)时,其集射极饱和压降Vcesat与结温Tj有很好的线性关系。为了得到Vcesat与Tj在20℃到125℃之间的校准曲线,将器件置于恒温箱中,对器件进行恒温加热,得到20℃到125℃之间任意温度,将100mA测量电流Im注入IGBT的集电极并测量集射极电压Vce,得到图6所示的Vcesat与Tj的校准曲线。优点:只需测量模块外部电参量,不需改变模块封装,测量简单,且实验室条件下精度较高。缺点:因为测量需要在通小电流情况下进行,因此难于实现在线测量。3.2采用tdon和vt的方法文献提出利用开通延时时间tdon来测量结温。用FPGA技术计算出集电极电流波形与门极电压波形开始时刻的时间差即得tdon,在不同工作点下测取tdon与结温的校准曲线如图7所示。同时,该文献根据IGBT的等效电路分析得出:tdon不受集电极电流IC的影响,而受集射极电压VCE的影响。文献提出用门极开通阀值电压VT来测量结温,即温度越高,硅原子的带隙越低,载流子越容易受激发,而使门极越容易开通,所以VT随温度升高而减小;同时,它还提出一种利用tdon测量VT的方法,如图8所示门极开通波形,门极波形上对应开通延时时刻tdon时的电压值即为VT,即测出tdon就可得到VT,所以可以把利用tdon和VT测结温的方法归为一类方法。优点:无需直接接触测量;可实现在线测量,响应时间短。缺点:因所测时间是纳秒级,对硬件的要求高。3.3igbt关断时阳极电流和电流a文献提出在IGBT开通过程中测量集电极电流最大变化率(dic/dt)max来识别结温,并根据VCE对MOS沟道和基区宽度的影响以及IGBT的电导调制效应分析了IGBT的工作点对(dic/dt)max的影响,得到如图9所示结果。文献分析了结温对IGBT关断过程的影响,指出关断电流一定时,结温升高将使电流关断波形上移,从而引起电流变化率发生变化,由此提出用IGBT关断时阳极电流最大下降率来在线测量结温的方法,同时该文献仔细分析了IGBT的关断过程,指出(dic/dt)max发生在MOS沟道电流和PNP晶体管集电极电流同时下降的阶段。该文献提出用磁螺旋管做成一个电流互感器,并将其放入作为初级线圈的IGBT集电极或发射极引线中如图10所示,电流互感器的输出端接一个空心电感L,L上产生的电压为L(-dic/dt),其最大值即对应阳极电流最大下降率(dic/dt)max。如图11所示在不同结温点下测取的L(dic/dt)max与结温Tj的校准曲线。优点:不受模块封装影响,可实现在线测量,响应时间短;缺点:变化率的测量易受模块杂散参数影响;加入测变化率电感会使IGBT电感参数增大,可能导致IGBT误通或误断,不利于IGBT的安全稳定。3.4杂散电弧对测量电压的影响文献从理论上仔细推导了dV/dt、门极驱动特性、集电极电流和与温度有关的参数的相关性,通过分析电荷存储效应与集电极电流、P+极载流子复合、MOS沟道和密勒平台电容的关系,综合推导出dVCE/dt受结温影响的闭环表达式。并且,文献指出电路杂散电感不会影响电压最大变化率(dVCE/dt)max的测量,如图12所示,(dVCE/dt)max发生在VCE=VDC时刻(第3阶段内,VDC为直流母线电压),而杂散电感的影响是在第4阶段,所以杂散电感对(dVCE/dt)max几乎没有影响。该文献还对IGBT处于不同工作点时的dVCE/dt进行了讨论,得到如图13所示结果,从图13可看出dVCE/dt随结温增大而减小,随集电极电流增大而增大。与电流变化率的测量类似,该文献最后提出dVCE/dt可由外加测量电容测得。优点:不受模块封装的影响,可实现在线测量,几乎不受杂散电感的影响。缺点:需辅助测量电路,对硬件要求高;外加测量电容增大了模块的杂散参数。4模型的建立和测量条件文献[21-23]提出利用IGBT的热网络模型来在线测量结温。如图14所示,Tc为壳温,可直接由温度传感器测得,Zthj-c(t)代表IGBT模块由结到壳的热网络模型,文献[21,26-27]已结合仿真和实验验证推导出IGBT模块的热网络模型,Ploss代表IGBT的功率损耗,而其计算方法文献[24-25]已有详述。从而Tj可由下式确定:优点:无需直接接触测量,测量方法简单;可实现在线测量;缺点:模块焊料层老化后,热网络参数会发生变化,这将导致结温的错误估计。5芯片结温测量以上总结了四大类结温测量方法,其中对全封装器件可实现在线测量的是TSP法和热网络法,而在线测量是结温测量的发展趋势。如果IGBT模块在电路中,通过获取该器件在线状态时的温敏值或功率损耗,便可分别利用校准曲线或壳温与热阻得到此时的芯片结温,则称之为在线测量。实现结温的在线测量意义重大:第一,IGBT有最高工作结温限制,在线测量可及时反馈结温值给保护电路,避免IGBT因结温超限而损坏;第二,可及时了解IGBT的结温波动水平,有利于器件剩余寿命和可靠性的在线评估。要利用TSP法和热网络法实现IGBT在线测量,需解决以下几个关键问题:TSP法中校准曲线要精确,开通延时时间测量对硬件要求高,特征量斜率的测量要尽量规避杂散参数的影响并且测量方法不能引起的器件误通或误断,而已有方法在这些方面还存在一定不足,亟待改进。6器件结温测量的方法本文详细阐述了结温测量的重要性,对各种结温测量方法进行了综述