基于失效机理的IGBT模块可靠性评估

2019-10-07 21:47:05 Westpac Electronics
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近几年,随着风力发电的迅速发展,风机容量不断得到增大,但是其对电网的影响也随之增大,使得风力发电系统迫切需要更高的可靠性。然而根据系统故障率统计结果,功率变流器(电气系统)作为风力发电系统的核心组件,亦是主要失效组件之一。
 
  而变流器系统可靠性与各个组件的可靠性有关,变流器故障在很大程度上是归因于其应用的功率器件绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的失效。因此需要评估风电变流器中IGBT 模块的可靠性,进而研究延长风电变流器可靠性的措施和方法,降低变流器因不定期故障而需要的维护与维修成本。
 
  1. 基于可靠性手册的器件可靠性评估方法
  电子组件的故障率是随时间变化的,通常可以利用浴盆曲线来描述,如图1所示。浴盆曲线一般包括3个阶段,即早期失效期(I)、稳定失效期(II)和损耗失效期(III)。早期失效期一般是由于设计、材料、制造和安装过程中的缺陷造成的,其故障率随着工作时间的增加而迅速降低。稳定失效期的故障率一般看作是恒定的,稳定失效期较长。损耗失效期是组件工作很长时间后,因老化磨损等因素发生的不可控失效。

浴盆曲线 
图1 浴盆曲线

 
  半导体器件可靠性评估一般是研究稳定失效期中器件的可靠性。电子设备可靠性手册具有很多版本,包括MIL-HDBK-217、IEC-TR-62380和FIDES Guide等。文中以MIL-HDBK-217可靠性手册为例,阐述功率器件的可靠性评估方法。MIL-HDBK-217可靠性评估手册是基于指数概率分布,建立组件恒故障率模型。功率器件的可靠性可用多种可靠性指标来表征,例如可用度函数R(t)和失效率λIGBTs等,器件的可用度R(t)计算方程为

计算公式1 

  基于MIL-HDBK-217F可靠性手册的半导体器件可靠性评估方法,根据失效率计算方式的不同,包括部分应力法和组件计数法,以部分应力法为例,IGBT和二极管的失效率λIGBT和λDiode的计算方程为

计算公式1、2 

 
式中:λb(IGBT)和λb(Diode)是IGBT和二极管的基本失效率;πQ是品质因子;πE是环境因子;πA是应用因子;πC是接触结构因子;πS是应力因子;πT是温度因子。
 
  从系统可靠性的角度,功率器件系统一般可以被认为是串联型的不可修复系统,而IGBT 模块包括IGBT 和反并联晶体二极管(Diode)芯片,IGBT模块系统的失效率λIGBTs 计算方程为

计算公式4 

  功率器件的故障率在稳定失效期一般不是恒定的,是随时间变化的,因此它并不满足恒故障率模型的基本条件。基于大多数可靠性手册的评估方法一般适用于评估与半导体器件偶然性失效有关的失效形式,而大功率器件失效主要因封装失效而引起,因此该方法并不适用于评估大功率器件的可靠性。
 
  2. 基于失效机理的器件可靠性评估方法
  IGBT功率模块多层结构的剖面如图2,IGBT模块由多层材料封装而成,每层材料的热膨胀系数存在差异,不同材料承受不同程度的热应力,长期累积后将导致器件热疲劳失效。IGBT模块存在多种失效形式,主要包括键合线脱落和焊料层老化等,而IGBT模块中不同的失效形式对应不同的寿命评估模型。

IGBT功率模块结构剖面图 
图2  IGBT功率模块结构剖面图

 
  加速老化试验是建立IGBT模块寿命模型的一种有效的方法,一般通过循环失效周期数Nf表征器件的寿命(如图3),建立Nf与其他电热参量之间的解析关系。

功率循环失效周期数Nf与器件温度的关系 
图3 功率循环失效周期数Nf与器件温度的关系

 
  在单一热循环条件下,因器件制造差异等多种因素的影响,根据同一种型号的不同功率模块的老化试验数据,器件的寿命满足威布尔概率分布,因此可以用器件失效的威布尔概率F(N)来表征器件的可靠性,计算方程为

计算公式5 

 
式中:Nc为尺度参数;β为形状参数,可以通过拟合器件老化试验数据获取;对于单一器件而言,F(N)表示经过N次单一热循环后,器件失效的概率。
 
  在实际应用中,器件一般承受不同程度的热循环,因此需要在多个热循环条件下对功率器件进行加速老化试验,然后利用不同功率器件的加速老化试验数据,基于解析计算方程建立循环失效周期数Nf与不同电热参数之间关系的解析寿命模型,通过数据拟合得到解析寿命模型的常量参数值。根据考虑的电热参数不同,解析寿命模型有多种表达形式,例如Coffin-Manson模型和Bayerer模型等。文中以Bayerer模型为例,Bayerer模型主要考虑的变量是结温波动ΔTj(一个热循环周期内,最大结温值Tjmax与最小结温值Tjmin的差),其表达式为

计算公式6 

 
式中:ton为加热时间;I为每个铝键合线通过电流的有效值;U为功率模块电压;D为铝键合线的直径;公式。为了预测变工况条件下器件的寿命消耗,一般采用线性累积损伤模型,IGBT在变工况条件下的寿命消耗计算表达式为

计算公式7 

 
式中:Nf,n为第n次热循环所对应的循环失效周期数;Nn为所对应的热循环次数。当器件损伤累积到一定程度即CL=1时,表明IGBT将失效。基于解析寿命模型和线性累积损伤模型的IGBT可靠性评估模型是确定性寿命评估模型,一般用于计算IGBT的寿命消耗,而对于一个功率模块系统,由于其包含IGBT和Diode芯片,系统的寿命一般取决于系统内部最薄弱环节的寿命。功率器件系统的寿命计算表达式为

计算公式8 


0755-88267606 00852-2763 5991 021-5489 1460