IGBT模块为什么会老化失落效？若何应对？

IGBT由芯片层、焊锡层、DBC（directed bonding copper）层与铜基板组成。

IGBT模块紧张的失落效位置包含键合线根部、芯片金属化层及材料之间的焊接层。
IGBT模块封装构造如图1所示。

IGBT的失落效紧张与以下几个成分有关：

1）过热。
当IGBT的结温超过其最大许可温度时，会导致器件性能退化，乃至烧毁。
过热常日由电流过大、散热不良或驱动电路问题引起。

图1 IGBT模块封装构造

2）过电流。
流经IGBT的电流超过其额定电流时，会产生大量的热量，导致器件温度升高，可能引发失落效。
过电流利常由负载短路、驱动电路故障或电路设计不当等缘故原由引起。

3）过电压。
当IGBT承受的电压超过其额定电压时，会导致器件击穿和破坏。
过电压可能由开关操作过程中的瞬态过电压、雷击等引起。

4）瞬态过电流。
在运行过程中，IGBT可能承受瞬态过电流，如续流二极管的反向规复电流、缓冲电容器的放电电流等。
虽然这些瞬态过电流持续韶光较短，但如果不采纳方法，会增加IGBT的包袱，导致器件失落效。

5）驱动电路。
驱动电路的事情频率、输出电压的上升/低落沿速率与IGBT开关速率不匹配，或赞助电源均匀输出功率、峰值功率不敷等，都可能导致IGBT无法正常事情，涌现失落效。

6）制造工艺、材料及利用环境。
如果在制造过程中存在工艺掌握问题或利用了不合格的材料，可能导致IGBT的早期失落效。
温度、湿度、机器应力等环境成分也可能影响IGBT的性能和利用寿命，从而引发失落效。

1 物理失落效剖析

物理失落效是指IGBT正常事情时受内部热应力影响导致材料发生变形，终极导致其无法正常利用。
物理失落效紧张有键合线老化、金属化层重构及焊接层退化。

1）键合线老化

键合线老化紧张有键合线脱落和键合线断裂两种情形，如图2所示。
在正常事情时，IGBT受温度变换产生的热应力的影响，键合线会发生剥离征象而引发故障，从而导致IGBT模块老化失落效。

图2 IGBT键合线老化

2）金属化层重构

随着IGBT功率循环次数的增加，芯片表面铝金属层涌现退化、晶粒增大、铝层挤压的征象，金属化层重构会造成层电阻增加，从而导致饱和压降参数上升，造成局部热点或烧熔。
IGBT金属化层重构情形如图3所示。

图3 IGBT金属化层重构情形

3）焊接层退化

IGBT模块内部，DBC与芯片、DBC与基板之间的连接目前大多通过焊接完成，长期的热循环应力会导致焊接层脆化、开裂。
IGBT焊接层分裂情形如图4所示。

图4 IGBT焊接层分裂情形

2 电气失落效剖析

IGBT的电气失落效是指在IGBT事情过程中，受元件内部的电压和电流等浸染，致使IGBT失落效。
电气失落效的形式有电气过应力失落效、静电荷放电失落效和闩锁效应失落效[12]。

1）电气过应力失落效

IGBT电气过应力失落效是指由于过电压、过电流等电气应力超过IGBT的承受能力而导致的失落效。
IGBT在关断过程中会产生集电极-发射极过电压尖峰，导致器件发生短路，无法正常运行。

2）静电荷放电失落效

器件正常事情情形下会累积电荷，在电荷放电过程中可能击穿器件材料层，此时当IGBT的门极或输入端受到静电荷冲击时，可能会导致其内部的电路或元件破坏，从而引发失落效。

3）闩锁效应失落效

当集电极电流增大到一定程度时，寄生晶闸管受正向偏置电压影响导通，门极失落去掌握浸染，形成自锁征象，由此导致集电极电流上升，引起较大的功率损耗，加速失落效征象发生。

3 IGBT失落效延迟方法

延迟IGBT失落效的方法可以从多个方面入手，详细包括：

1）散热管理。
过热是导致IGBT失落效的紧张成分之一，因此散热管理至关主要。
可以采取更有效的散热方案，如优化散热器设计、增加散热面积、提高散热效率等，以降落IGBT的事情温度，避免过热破坏。

2）电流掌握。
合理掌握IGBT的电流大小和变革率，避免超出IGBT的额定电流和电流变革率的范围。
可以采取适当的驱动电路和驱动参数，以担保IGBT事情在安全范围内。

3）电压掌握。
避免IGBT承受超出其额定电压的过电压或浪涌电压，可以在IGBT两端并联适当的接管电路或采取适当的保护方法，以接管过电压或浪涌电压。

4）可靠性设计。
在IGBT的可靠性设计方面，可以采取冗余设计、故障诊断和隔离等技能，提高IGBT的可靠性和稳定性。

5）制造工艺掌握。
加强制造过程中的质量掌握和工艺掌握，担保IGBT的质量和性能。
可以采取适当的筛选和测试方法，剔除早期失落效的IGBT器件。

6）利用环境掌握。
确保IGBT在利用环境中不会受到过大的温度、湿度、压力等环境成分的影响，避免环境成分对IGBT的性能和利用寿命产生不良影响。

本文摘编自2024年第3期《电气技能》，论文标题为“基于Bo-BiLSTM网络的IGBT老化失落效预测方法”，作者为汪醒鹏、陈喜莆，本课题得到北京市教诲委员会基金项目、北京市自然科学基金项目的支持。