功率器件的故障诊断与 疲劳寿命预测

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1、第一章绪论1．1课题背景及研究意义1．1．1课题背景伴随世界上首只晶闸管的问世，在随后的几十年里半导体技术得到了快速的发展，往往每一种新型功率器件的问世都会取得科技的重大进步。目前，功率器件己经成为生活、工业中不可缺少的器件，在能量转换和电力电子设备中起着关键作用。近些年来，随着石油、煤炭等化石燃料的减少及日益严重的环境污染问题，节能减排及清洁能源的快速发展，半导体技术开发及研究取得了重大进步。目前，工作温度高、运行容量大、工作频率高以及模块化的结构、智能化的性能正逐步成为功率器件的发展方向。其中以IGBT为代表的新型功率器件具备

2、MOSFET多种优点，例如输入阻抗较高、电路控制简单、开关损耗低、开关速度快等，又拥有双极型晶体管的较大的载流密度、较好的电流处置能力及低饱和压降等特点，在高电压、大电流、高速度等三方面是其他功率器件所不具备的，因此其在输配电、电动机变调速、清洁能源发电、逆变器等领域有着广泛的应用【1—61。伴随功率器件新结构及新工艺的发展，IGBT模块在功率等级、功率密度、开关频率提高的同时，模块的工作性能和长期可靠性受温度及热学载荷的影响越来越大。IGBT在工作时产生的功率损耗造成器件结温升高，造成功率器件内部的温度分布改变。通常模块的芯片是

3、由晶体硅制作的，其额定的工作温度一般为150℃，结温过高易造成芯片工作性能的降低，有时甚至导致芯片永久失效，有研究指出60％的功率器件的损坏失效是由温度引起的，在正常工作温度下，温度每提升10。C会造成器件失效的概率提高2倍。因此，在正常工作时需要采取各种散热设计使器件结温控制在安全工作温度范围以内。但是即使这样还不能保证功率器件长期工作的可靠性，因为随着负载的变动会引起IGBT功率模块内部结温的持续波动，同时功率模块的内部每层材料各不相同导致其热膨胀系数的差异，导致热应力及机械应力的产生，加快了IGBT器件疲劳失效的进程，引起模

4、块的焊料层脱落或键合引线的剥离，最终造成功率器件的损坏。通常功率器件的损坏，不仅仅会造成重大的经济损失，有时还可能引起重大的安全事故。因此，针对IGBT模块的热特性问题、寿命的预测的研究逐步成为科学的最新领域【8。15]。1．1．2课题研究意义伴随着半导体的快速发展及功率器件工作性能的不断提升，使得功率器件应用于诸多的关键领域。集成技术的发展使得整流设备所用的功率器件不断增多，但却造成可靠第一章绪论性越来越低：在电动汽车应用中，整流设备运行时的环境则更为多样，高频率的开关、制动、高温等严重影响功率器件的长期可靠性及疲劳寿命；对于高

5、电压的大功率器件，在动力牵引、航空航天电子等诸多领域均需要几十年，在运行过程当中，高频率的启动和内部结温的持续波动，这就要求功率器件要经历106次以上的功率循环，因此其长期工作的可靠性对于设备的安全运行起着重要的作用。功率器件的可靠性早己引起大家的广泛关注，而功率器件的疲劳失效及可靠性问题涉及机械应力、热应力和热应变以及其他多种未知因素，产生的机理十分复杂，因此研究起来有很大的难度。近些年来，多名国内外学者深入研究功率器件的工作可靠性、失效机理等领域并取得了许多重要成果，改进了功率器件的制造工艺，使器件工作的可靠性得到了提高。但是

6、随着科学技术的发展，新的器件制作工艺的提高、模块的集成度得以提高，同时模块的工作环境变得更加多样化，引起新型的功率器件失效及可靠性问题，这就造成对功率器件的失效机理、可靠性及疲劳寿命问题进行更深入的研究变得十分必要【l6‘博J。因此，探究功率器件的失效的内在机理、运行的可靠性及寿命预测的有关课题，探究复杂的工作环境对IGBT模块工作可靠性问题、热疲劳寿命的影响，探究影响模块运行可靠性、热疲劳循环次数主要的因素，对优化其可靠性设计、改善工作效率和性能、提高运行寿命提供理论研究的参考依据。1．2国内外研究现状1．2．1IGBT失效机理

7、研究现状功率器件的长期运行可靠性是衡量器件工作性能的重要参数，器件的失效机理决定器件的疲劳寿命。因此，若要对功率器件的疲劳寿命进行预测必须研究器件的失效机理。针对功率模块不同类型失效形式的研究，文献[20．231研究了功率器件的焊料层在运行过程中的疲劳老化的失效机理，同时采用仿真分析软件对功率器件因多种原因产生的热应力进行相关的研究分析。电过应力造成的功率器件的失效，通常是由电压或者电流过大引起的，文献[24．25]针对静电荷的放电效应引起的器件的失效做了深入的研究。另外，电压的快速上升、电压的变化速率过大很有可能引起擎住效应导致

8、器件失效。文献[26]将热阻增大超过20％作为判断功率器件焊料层疲劳失效的准据之一。文献[27】将集射级电压作为衡量键合线脱落失效的准则，通常认为电压增大5％．20％便会导致键合线的失效。综上所述，造成IGBT器件失效的原因主要是热量过多或者与热相