在系統(tǒng)應(yīng)用中，影響IGBT模塊壽命的因素有電氣負(fù)荷與環(huán)境條件（溫度，濕度，灰塵，宇宙射線，機(jī)械振動(dòng)等）。環(huán)境因素的影響，不同場合的應(yīng)用差異可能非常大，具有不確定性?，F(xiàn)有研究主要關(guān)注IGBT模塊在運(yùn)行過程中自身溫度變化對壽命的影響。由于IGBT模塊是由多種材料組成，這些材料具有不同的CTE（熱膨脹系數(shù)）。IGBT運(yùn)行產(chǎn)生的溫度波動(dòng)會(huì)在相鄰層產(chǎn)生熱機(jī)械應(yīng)力，這種熱機(jī)械應(yīng)力是IGBT模塊中材料疲勞老化進(jìn)而失效的根本原因。典型的失效點(diǎn)包括：綁定線根部，芯片金屬化層，以及DCB與芯片或銅基板之間的焊接層。在反復(fù)的熱機(jī)械應(yīng)力的沖擊下，IGBT模塊內(nèi)部綁定線會(huì)產(chǎn)生疲勞現(xiàn)象。圖1（a）展示了綁定線根部開裂的失效模式，圖1（b）中的綁定線已經(jīng)完全從IGBT芯片上脫落。在大電流IGBT模塊中，一般會(huì)使用多根綁定線并聯(lián)來分擔(dān)電流，單根綁定線的失效會(huì)造成其他并聯(lián)的綁定線承受更大的電流。根據(jù)P=I2*R，其他綁定線上的損耗也會(huì)隨之增加，導(dǎo)致更大的熱機(jī)械應(yīng)力從而隨之失效。綁定線疲勞的另一個(gè)后果是隨著接觸電阻和損耗的增加而導(dǎo)致IGBT或二極管芯片過熱失效。
在IGBT和二極管芯片上都有鋁金屬化層來實(shí)現(xiàn)與DCB（陶瓷基板）及綁定線的連接。在熱機(jī)械應(yīng)力的作用下，該金屬層會(huì)出現(xiàn)鋁晶粒擠出現(xiàn)象。圖2（a）中紅圈中的黑色區(qū)域即是這一現(xiàn)象在光學(xué)鏡頭下的體現(xiàn)。而圖2（b）則給出了同一芯片的金屬化層在經(jīng)歷數(shù)萬次功率循環(huán)前后的微觀對比。金屬化層的重構(gòu)不但會(huì)造成本身層電阻增加而導(dǎo)致同樣導(dǎo)通電流下的VCE上升，還有可能造成有效的芯片元胞和導(dǎo)通面積減少，從而產(chǎn)生局部的熱點(diǎn)或燒熔。
在模塊內(nèi)部，芯片與DCB（陶瓷基板）、DCB與銅基板之間一般通過焊接的方式實(shí)現(xiàn)連接，長期的熱機(jī)械應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致焊接層的脆化或開裂（參見圖3）。同時(shí)焊料與銅層之間形成的合金（Cu5Sn6）同樣可能開裂。圖3 焊接層開裂SEM圖
另一種常見的焊接層退化的表現(xiàn)形式是焊料中空洞的形成（參見圖4），這會(huì)影響到工作中芯片產(chǎn)生的熱量向外界傳遞的效率，長期作用下會(huì)導(dǎo)致芯片過熱失效。功率循環(huán)測試可以加速模擬IGBT模塊在實(shí)際工作中可能承受的熱機(jī)械應(yīng)力，目前被各IGBT模塊生產(chǎn)廠商采用以驗(yàn)證新產(chǎn)品的可靠性。賽米控研發(fā)的每款I(lǐng)GBT模塊在正式發(fā)布之前都要通過各種嚴(yán)苛的內(nèi)外部認(rèn)證測試，其中功率循環(huán)測試是必不可少的一項(xiàng)，而功率循環(huán)曲線則是計(jì)算模塊壽命的基本條件之一，下面我們就針對這兩點(diǎn)做詳細(xì)介紹。測試的電氣連接如圖5所示。測試時(shí)先給待測模塊接通一個(gè)大電流負(fù)載Iload，待芯片結(jié)溫上升到設(shè)定值Tj（max）后斷開Iload，然后采用小電流Imeasure下的VCE測試電壓結(jié)合已校準(zhǔn)的VCE和Tj曲線來確認(rèn)結(jié)溫，并通過外部散熱快速冷卻降低芯片結(jié)溫至設(shè)定值Tj(min)，斷開測試小電流Imeasure，再次接通Iload并重復(fù)以上過程。2.2 功率循環(huán)測試參數(shù)設(shè)置在功率循環(huán)測試中，結(jié)溫波動(dòng)幅度（ΔTj=Tj,max–Tj,min）是對最終循環(huán)次數(shù)影響最大的變量。結(jié)溫波動(dòng)越大，對于模塊內(nèi)部各層施加的熱機(jī)械應(yīng)力越嚴(yán)酷，在失效前模塊能夠完成的循環(huán)次數(shù)越少。為保證新產(chǎn)品的認(rèn)證測試效率，一般生產(chǎn)廠商會(huì)選取較大波動(dòng)值如ΔTj=100K或ΔTj=70K進(jìn)行功率循環(huán)測試。在同樣結(jié)溫波動(dòng)條件下，循環(huán)測試中的平均結(jié)溫Tm=Tj,min ΔTj/2的設(shè)置對于功率循環(huán)次數(shù)也有重要影響。在ΔTj一定的條件下，平均結(jié)溫越高，則模塊失效前能完成的循環(huán)次數(shù)越少。另一個(gè)比較重要的參數(shù)是每個(gè)循環(huán)中大電流負(fù)載Iload的持續(xù)時(shí)間Ton。Ton時(shí)間越長，則每個(gè)周期模塊各連接層承受的熱機(jī)械應(yīng)力更大，模塊失效前能完成的循環(huán)次數(shù)越少。各個(gè)廠商對此參數(shù)設(shè)置不盡相同。 2.3 功率循環(huán)測試完成標(biāo)準(zhǔn)上文提到，持續(xù)的熱機(jī)械應(yīng)力會(huì)造成綁定線脫落、芯片金屬化層重構(gòu)及焊接層性能退化等問題，而這些問題會(huì)導(dǎo)致模塊飽和壓降和熱阻上升，最終反映到結(jié)溫的異常升高。在測試過程中一旦模塊熱阻Rth或是飽和壓降VCE增大20%，則判斷為模塊失效，功率循環(huán)測試完成。圖6是賽米控某款I(lǐng)GBT模塊的功率循環(huán)測試結(jié)果。
20世紀(jì)90年代，瑞士政府資助蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院進(jìn)行了一項(xiàng)針對IGBT模塊的壽命預(yù)測項(xiàng)目。該項(xiàng)目對來自歐洲和日本多個(gè)廠商的IGBT模塊進(jìn)行了大量的研究和功率循環(huán)試驗(yàn)，確定了結(jié)溫波動(dòng)對于IGBT模塊壽命的影響，并于1997年公布了初版的LESIT功率循環(huán)曲線。
該曲線實(shí)際上描述了不同結(jié)溫波動(dòng)條件下模塊失效前所能完成的功率循環(huán)次數(shù)，不同平均結(jié)溫Tm對應(yīng)不同曲線。該壽命曲線可用以下方程式表達(dá)：
LESIT功率循環(huán)曲線發(fā)布之后的數(shù)年間，IGBT模塊的材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)方法都取得了快速進(jìn)步，這些發(fā)展對于可靠性和壽命都有實(shí)質(zhì)性的提升。在2009年，賽米控基于LESIT曲線并結(jié)合自身模塊技術(shù)特點(diǎn)發(fā)布了兩款改進(jìn)版的功率循環(huán)壽命曲線，分別為標(biāo)準(zhǔn)模塊功率循環(huán)壽命曲線（圖8）和先進(jìn)模塊功率循環(huán)壽命曲線（圖9）。
圖8 標(biāo)準(zhǔn)模塊功率循環(huán)壽命曲線
圖9 先進(jìn)模塊功率循環(huán)壽命曲線（采用優(yōu)化的綁定線設(shè)計(jì)或銀燒結(jié)技術(shù)）3. 不同應(yīng)用中的IGBT模塊壽命計(jì)算3.1 負(fù)載簡單變化應(yīng)用中的壽命計(jì)算對于大多數(shù)常規(guī)的工業(yè)應(yīng)用，使用賽米控的熱仿真軟件SEMISEL并結(jié)合相應(yīng)的功率循環(huán)曲線就可以進(jìn)行簡單的壽命計(jì)算。這種計(jì)算只考慮每個(gè)負(fù)載周期中最大的溫度波動(dòng)，忽略較小的溫度波動(dòng)。下面舉例說明：某三相電機(jī)傳動(dòng)項(xiàng)目中每10秒會(huì)出現(xiàn)5秒的2倍過載，之后恢復(fù)至額定負(fù)載并持續(xù)5秒。該項(xiàng)目選用了賽米控的模塊SEMiX453GB12E4s。在SEMISEL中基本參數(shù)及負(fù)載曲線設(shè)置如圖10所示。圖10 SEMISEL仿真參數(shù)設(shè)置
啟動(dòng)仿真后，在結(jié)果頁會(huì)直觀顯示結(jié)溫波動(dòng)曲線及芯片結(jié)溫具體值（圖11）。計(jì)算出該應(yīng)用的平均結(jié)溫Tjm=112.5°C及結(jié)溫波動(dòng)ΔTj=27°C。
將Tjm=112.5°C及ΔTj=27°C代入賽米控先進(jìn)模塊功率循環(huán)壽命曲線（圖12），可知該應(yīng)用中IGBT模塊的壽命約為1500萬次。
圖12 利用功率循環(huán)曲線估算IGBT壽命3.2 復(fù)雜負(fù)載條件下的壽命計(jì)算在電梯、電動(dòng)汽車以及風(fēng)力發(fā)電等應(yīng)用中，負(fù)載會(huì)快速且無規(guī)律的變化。以下圖為例：
圖13 復(fù)雜負(fù)載條件任務(wù)曲線在這種電流、電壓、基頻甚至是開關(guān)頻率同時(shí)變化的工況下，需要使用SEMISEL或其他專業(yè)熱仿真軟件對每個(gè)工作點(diǎn)進(jìn)行仿真，計(jì)算出功耗并精確使用熱阻（或熱阻抗）得到每個(gè)周期中溫度波動(dòng)曲線，即將任務(wù)曲線轉(zhuǎn)化為溫度曲線。
圖14 復(fù)雜負(fù)載條件結(jié)溫波動(dòng)曲線
可以看到，在基頻較低的工況下會(huì)發(fā)生數(shù)次較大結(jié)溫波動(dòng)；而在基頻較高的工況下會(huì)有大量小結(jié)溫波動(dòng)發(fā)生。對于這種大小波動(dòng)重疊在一起的溫度曲線，目前比較通用的方法是采用雨流算法（Rain flow）將其分解簡化為若干個(gè)具有不同波動(dòng)幅度的負(fù)載循環(huán)，如下圖15所示。圖15 雨流算法簡化溫度波動(dòng)
將雨流算法簡化后的不同溫度波動(dòng)通過對應(yīng)模塊的壽命曲線進(jìn)行計(jì)算，可以得到指定任務(wù)周期的循環(huán)次數(shù)。
需要注意的是，上面這個(gè)例子重點(diǎn)是介紹如何使用雨流算法計(jì)算復(fù)雜工況下的IGBT壽命，圖13中溫度曲線與圖15中簡化曲線與并無直接對應(yīng)關(guān)系。
1. P. Drexhage, SEMIKRON presentation“PredictingLifetime of Power Modules”, 20182. U. Scheuermann, U. Hecht, “Power Cycling Lifetime of Advanced Power Modules for Different Temperature Swings”, PCIM Euro 20023. A. Wintrich, SEMIKRON Application Manual Power Semiconductors, 2015
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