新能源汽车动力系统的热可靠性

hirain

        出于日益增长的市场和环保需求，今天的汽车工业面临着今后 20 年加速实现电动化的变革（图 1）。最初是混合动力汽车 (HEV)（例如占据市场领先地位的丰田普锐斯）引领着汽车电动化的进程，但在未来 20 年中，纯电动汽车 (EV) 将最终成为常态。不过，汽车的电力电子设备需要具备 2-5 年的使用寿命，相当于成千上万小时的使用时间和数百万次的功率循环，且必须承受高达 200 °C 的高温。因此，对于电力电子设备而言，运行可靠性至关重要，其故障成本将会十分高昂，难以承受。随着工业电子系统的能源需求不断增加，汽车电力电子设备和器件供应商面临着为汽车 OEM 厂商提供高可靠性系统的巨大挑战。而众所周知，电力电子设备的高可靠性则与工作温度直接相关。


图 1：2018 年前 IGBT 市场与应用的增长预测

        图 2 显示了目前 HEV 内部典型的电力电子设备：具有相应液冷系统的 IGBT 功率模块、变流器、逆变器、高压电池和电机等。


图 2：HEV 内的电力电子器件

        本白皮书通过 IGBT 模块示例来说明如何解决这个难题。

高载荷和长寿命要求下的可靠性挑战
        电力电子器件（例如 MOSFET、二极管、晶体管和 IGBT）被广泛应用在消费市场和工业应用中各种发电、变电和控电等高能量要求的场合，且近年来的需求不断增加。功率模块制造商所面临的挑战是既要提高产品的最大功率水平和电流负载能力，同时又要保证产品的高质量和高可靠性。随着能源载荷需求方面的压力增大，电力电子设备领域也在不断创新，产生了不少新技术，例如直接键合铜基底技术（其热传递系数得到显著增强），带式键合技术（用于取代粗封装键合线），以及无焊料芯片粘接技术（用于增强模块的功率循环能力）等。这些新基底有助于降低设备温度，载带可承载更大的电流，而无焊料芯片粘接可采用银烧结浆料，其热阻值更低。所有这些技术进步在有效改善了设备的导热路径，从而提高了设备性能。但是，这些系统上的热应力和热-机械应力仍然会造成功率循环和热效应方面的故障。这些应力可能导致的问题包括封装键合线退化（图 3）、固晶焊疲劳、叠层分层、芯片或基底破裂等。


图 3：发生热损伤的 IGBT 模块

        功率循环失效测试的传统工艺需要不断重复且耗时费力，其只能在“事后”进行，而且必须在实验室里对封装的内部状况进行分析。

采用功率测试器来提高测试和诊断速度
        电力电子设备传统的“事后”失效分析成本高昂，而可能的替代解决方案则是 MicReD 工业级 Power Tester 1500A。这是目前唯一专为制造流程及实验室环境设计的检测设备，能够自动进行功率循环，同时生成分析用热数据用于实时的失效过程诊断（图 4）。此外，它还可用于使用寿命测试，检测电力电子模块所在应用系统的可靠性。


图 4：Power Tester 1500A 专为产品研发和制造环境而设计

        Power Tester 1500A 是一款功能强大的工业级检测仪器，采用历经考验、高度准确的 MicReD T3Ster. 热测量和热特征提取技术，可以增强电子元件、LED、PCB 系统和大功率电子设备的功能。Power Tester 1500A 的独特之处在于能够在一台机器上同时进行全自动热功率测试和循环，而在此过程中无需拆卸下受测器件。其简单易用的触摸屏界面方便技术人员在生产车间内使用，也便于失效分析工程师在实验室中使用（图 5）。


图 5：Power Tester 1500A 触摸屏界面（从左到右）：主屏幕、器件创建、在冷板上放置器件

        在分析 MOSFET、IGBT 和通用双极器件时，Power Tester 1500A 可以感测电流、电压和芯片温度，并使用MicReD 的“结构函数” 来随时记录封装结构中的变化或故障。本机可用于增强和加速电力电子封装开发、可靠性测试，以及在生产前对输入的元件进行批量检查。

        在运行功率循环的过程中，实时的结构函数分析会显示电力电子设备的故障过程、循环数和故障原因，从而省去事后进行实验室分析的麻烦。不再需要在多个样品上进行耗时的循环测试以估算产品降级对应的循环数范围，也没有必要在该范围内额外增加热测量次数来确定捕获的降级真实存在。受测器件只需安装连接一次，相关循环和配置从一开始即可进行定义。

        借助 Power Tester 1500A，电力电子产品供应商可以为客户设计出可靠性更高的电力电子封装，并能提供相应的可靠性规范。元器件设计商和制造商则可以验证供应商的可靠性规范并鉴定封装的可靠性。对于使用寿命长、可靠性要求高的电力电子封装产品，设计和制造人员将能够进行系统级别的测试。

        Power Tester 1500A 在设计上符合 JEDEC 标准 JESD-51-1 静态测试方法。系统可以根据捕获到的瞬态响应，自动生成相应的结构函数。结构函数可提供热传导路径的等效模型（采用热阻和热电容表达），用于检测结构性失效或捕捉热传导路径中局部热阻的变化。Power Tester 1500A 还支持 JEDEC 标准 JESD-51-14 瞬态双界面测量以确定 RthJC 值。功率循环和 Rth 测量模式的组合流程会在进行功率循环的器件上产生应力，它会在循环期间定期测量 Rth 值、监控系统参数（例如电压和电流）变化，并根据需要自动增加 Rth 值的测量频率。

        Power Tester 1500A 生成的测试数据和特征提取数据还可用于对热仿真软件 FloTHERM 和 FloEFD 中详细的计算流体动力学 (CFD) 模型进行校准和验证，从而实现更加准确的流体流动和热仿真结果。

通过循环使用寿命实时测试 IGBT 模块
        电子电力模块及其相关组件和系统的设计人员必须确保芯片和基板之间的热阻值尽可能保持较低水平，创造稳定可靠的键合并确保芯片粘接层在产品的使用寿命内能够承受极大的热载荷（图 6）。设计人员必须了解最大载荷循环数和器件温度/载荷条件之间的关系，才能较为准确地估算功率模块的使用寿命。


图 6：典型 IGBT 模块的横截面

        随着纯电动和混合动力车辆的问世，IGBT 器件在牵引和高压变流器应用领域已占据龙头地位，而各种结点中散发的热量对这些元器件的可靠性会有很大影响。器件工作过程中的高结温和高温度梯度会引起热-机械应力，在热膨胀系数不同的两种材料接触面上尤其明显，而这可能导致这些元器件降级甚至完全失效。

        我们对四个包含两个半桥的中功率 IGBT 模块进行了两次测试，以验证可通过元器件自动功率循环获得的丰富数据。这些实验的详细信息先后在 2013 年 IEEE 电子封装技术大会和 2014 年半导体热计量与管理(SEMI-THERM) 研讨会上介绍过。

        这些模块被固定在 Power Tester 1500A 中集成的冷板上（采用液冷散热），用一块高热导率导热垫来尽量减小界面间的热阻。在整个实验过程中，我们通过 Power Tester 1500A 控制的液冷循环器将冷板温度始终保持在 25 °C。

        我们将器件的栅极连接到了漏极（即所谓的“金属氧化物半导体”- MOS 二极管设置），同时对各个半桥使用单独的驱动电路供电，两个电流源分别连接到相应的半桥。使用一个可以快速切换开关状态的大电流电源对这些器件施加阶跃式功率变化。另外使用一个低电流电源为 IGBT 提供连续偏压，这样可在加热电流关闭时测量器件温度。

        在第一组测试中，我们采用恒定的加热和冷却时间对四个样品分别进行了测试。选择的加热和冷却时间分别是加热 3 秒钟和冷却 10 秒钟，在 200 W 功率条件下将初始温度波动保持在 100 °C 左右。这样的测试设置可以最贴切地模拟实际应用环境，在此环境中，热结构的降级会导致结温升高，进而加速器件老化。

        在这四个受测器件中，样品 3 在经过 10,000 次循环后不久便失效了，远远早于其他样品。样品 0、1 和 2 持续时间较长，分别在经过 40,660、41,476 和 43,489 次功率循环后失效。图 7 显示了样品 0 的瞬态热测试（每5,000 次循环测量一次）生成的结构函数。位于 0.08 Ws/K 的平坦区域对应于芯片粘接层。该结构在 15,000 次循环之前是稳定的，但过了这个点之后，随着热阻持续增大，芯片粘接层出现明显降级，直至器件失效。虽然导致器件失效的直接原因仍然不明，但我们发现，栅极和射极之间形成了短路，而且在芯片表面可以看到一些焦斑。


图 7：样品 0 在不同时间点的控制测量值对应的结构函数

        在第二组测试中，我们分别采用不同的供电策略（由 Power Tester 1500A 提供支持）对完全相同的样品进行了测试。模块中的两个半桥分别安装在同一块基板的不同基底上。三个器件均采用两种封装进行了测试，其中受测器件中的 IGBT1 和 IGBT3 属于同一模块，但位于不同的半桥。

        我们对 IGBT1 保持恒定的电流，对 IGBT2 保持恒定的加热功率，对 IGBT3 则保持恒定的结温变化。选择的设置能够为所有器件提供相同的初始结点温升，即对每个器件加热 3 秒钟和冷却 17 秒钟，初始加热功率约240 W，确保对比结果公平公正。

        对每个器件分别测量了所有循环中全部的加热和冷却瞬态变化，并由 Power Tester 1500A 对下列电学参数和热学参数进行了持续监测：

●  加热电流开启后的器件电压
●  上一循环中施加的加热电流
●  功率阶跃
●  加热电流关闭后的器件电压
●  加热电流开启前的器件电压
●  上一功率循环期间的最高结温
●  上一功率循环期间的最低结温
●  上一循环中的温度波动
●  使用加热功率进行标准化处理后的温度变化

        在使用 10A 加热电流完成 250 次循环后，我们对器件从通电稳态到断电稳态之间的全程热瞬态变化进行了测量，用以创建可对热量累积中发生的降级进行研究的结构函数。同样，实验持续进行到所有 IGBT 全部失效为止。不出所料，IGBT1 最先失效，因为在器件降级过程中我们没有对供电功率进行任何调节。但有趣的是，在该热结构中并没有显示任何降级迹象（图 8）。


图 8：IGBT1 在功率循环期间的结构函数变化

        我们对实验过程中的器件电压变化进行了检查。图 9 显示了 IGBT1 在加热电流水平的正向电压变化与已完成的功率循环次数之间的关系。在前 3000 次循环中，可以观察到电压处于下降趋势。导致初期这一变化的原因主要是器件平均温度变化相对缓慢（只下降了 5 °C）。尽管器件电压的温度依赖性在电流低时呈现负特性，但在大电流水平下，正向电压的温度依赖性已变为正值。


图 9：IGBT1 在加热电流水平的正向电压与已应用的功率循环数之间的关系

        在经过约 35,000 次循环后，这一趋势发生了变化，电压开始缓慢升高。之后，器件电压出现阶跃式变化，同时，上升趋势持续加快，直至最终器件失效。电压的增大可归因于封装键合线的降级，因为结构函数并没有变化，这也解释了在封装键合线最终脱落时电压出现的阶跃式变化。电压阶跃高度的持续增加是因为随着封装键合线数量的减少，封装键合线热阻的并联电阻之和在不断增大。如果采用恒定电流的策略，封装键合线的断裂会增加剩余键合线中的电流密度，并且加速老化。

        图 10 显示了 IGBT3 对应的同类型曲线，其中，器件电压转为增长趋势的时间甚至更早，但由于通过调节加热电流保持了结温恒定，因此加热电流也按比例相应地减小了。电流的减小降低了键合线的负载，并延长了器件测试的寿命。


图 10：IGBT3 在加热电流水平的正向电压与已应用的功率循环数之间的关系

        上述两组实验展示了不同的失效模式，并说明了不同的功率策略以及电气设置对失效模式可能产生的影响。第一组实验采用的是恒定循环时间，最贴切地反映了实际的应用情况，实验证明 Power Tester 1500A 能够快速检测出器件结构（包括芯片粘接层和其他受破坏层）内出现的降级现象。

        第二组实验清楚地证明封装键合线出现了降级现象，因为我们观察到器件的正向电压出现了阶跃式升高，但对于不同的供电选项（恒定电流、恒定加热功率和恒定温升），所有测试样品的热结构函数都没有发生变化。当然，由于样品数量较少，所以只能做出比较保守的结论。假以时日，如果增加样本数量，一定会提供更多的统计数据。但是，在 Power Tester 1500A 实验中也可以发现，测量结果可能因循环策略的不同而有所差异，基于某些策略而预测的功率器件使用寿命可能会高于其实际的使用寿命。

结论
        高可靠性一直是电动汽车和混合动力汽车行业（对大功率电子设备依赖性强）关注的首要问题。而对于元器件供应商、系统供应商和 OEM 厂商而言，加快对电力电子设备模块进行循环使用寿命测试是必不可少的工作。MicReD Power Tester 1500A 可为 IGBT 模块供电并进行从数万次到数百万次的循环实验，同时提供实时的失效过程诊断。

        如上述示例所示，使用 Power Tester 1500A 可以很轻松、清楚地识别由于芯片粘接降级或封装键合线损坏引起失效的方式。这样不仅可以显著缩短测试时间和实验室诊断时间，而且也无需进行事后分析或破坏性失效分析。