- 頭條多芯并聯封裝IGBT缺陷與失效先導判據2021-05-07 作者：黃先進 凌超 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語器件由于內部芯片失效而產生IGBT故障，且檢測保護困難，大多只能在系統外特性上加以防護，本體還是會受較大損害。高壓大功率IGBT模塊內部由多芯片和大量鍵合線構成，器件功能失效很大部分是由鋁鍵合線脫落或者斷裂引起的。提早發現或辨知此類缺陷或失效導致的電氣特性變化，是構建IGBT故障的先導判據條件，有利于規避潛在故障風險，提高IGBT利用可靠性。 北京交通大學電氣工程學院的研究人員黃先進、凌超、孫湖、游小杰，在2019年《電工技術學報》增刊2上撰文，提出了建立柵源回流通路寄生參數等效電路模型，觀測內部雜散參數變化對外在工作特性影響的先導判據準則。該判據基于最小二乘參數辨識方法，對6.5kV多芯并聯IGBT模塊內部芯片與鍵合線發生缺陷與失效進行提前判定。
絕緣柵雙極晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）是由雙極型三極管（Bipolar Junction Transistor, BJT）和絕緣柵型場效應管（MOSFET）組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件，兼有MOSFET的高輸入阻抗和電力晶體管（Giant Transistor, GTR）的低導通壓降兩方面的優點。
IGBT模塊內部封裝了多只IGBT和二極管芯片，芯片間通過鍵合線連接并匯流到模塊端子。實際應用中，芯片的性能差異會逐漸累積放大并最終導致通流、耐壓、傳熱等特性異常，外在表現為器件功能性降級或失效。IGBT模塊安全可靠運行的前提是預防、檢測以及執行保護措施。
由于IGBT模塊特別是高壓大功率模塊工作條件惡劣、運行參數復雜、系統雜散參數多變，IGBT的缺陷診斷遇到很大障礙，且模塊內部不易放入測量裝置，實時監測雜散參數幾乎不可實現。IGBT的失效主要有過電壓失效、過電流失效、功率或溫度循環失效。
過電壓失效產生的主要原因是VCE過電壓、柵極過電壓、浪涌電壓以及靜電等因素；過電流失效主要與短路、散熱不良、開關頻率驟變有關；功率或溫度循環失效主要是溫度變化較快導致的。
這些失效廣泛存在于IGBT的應用場合，器件整體失效表現較為明顯，但是內部芯片部分失效或缺陷卻難以觀測。
由于大功率IGBT模塊制程和封裝具有很高的技術要求，模塊內部特性參數作為廠家的技術核心，不會公布較多細節。從模塊內部芯片和焊接線的保護方案，廠家都沒有提供。另外，大功率IGBT應用條件復雜，工作特性體現較大的多樣性，器件廠家和系統供應商一般只給出通常應用系統級的保護措施，無法給出一種適合裝置系統和器件本體的保護方案。
北京交通大學電氣工程學院的研究人員提出了一種對IGBT模塊本體做出器件級的保護的先導判據，通過辨識模塊內部芯片和連線的寄生參數，找出雜散參數變化導致的外特性改變，從而提早發現IGBT的缺陷和失效風險。構建了多芯片并聯封裝IGBT模塊內部雜散參數的柵源通道回流數學模型，分析了鍵合線參數、芯片布局、柵源電容與門極電阻等影響因子對先導判據的影響，利用最小二乘法對上述雜散參數進行辨識，達到通過外特性準確反映內部參數的變化特性，最終實現IGBT模塊內部缺陷與失效的前期判定。
圖1 IGBT參數辨識實驗原理
圖2 IGBT參數辨識雙脈沖實驗電路
研究人員通過仿真和實驗，比對不同故障下的雜散參數變化分布情況，驗證了該方法對英飛凌高壓大功率IGBT內部故障類型與故障程度判斷的有效性。
芯片故障時輸入電容參數減小，柵極電阻和雜散電感參數增大。當柵極電阻與雜散電感參數增加10%以上，輸入電容參數減小10%以上時，說明內部鍵合線多數脫落或斷裂，也可能是IGBT元胞芯片自身故障，系統故障隨時發生，器件應當立即維修或更換。當柵極電阻與雜散電感參數增加小于10%，而輸入電容參數變化不大（不超過2%）時，說明內部可能發生了少量鋁鍵合線的故障，系統有故障風險，器件本體應當降級運行或者維修。
以上研究成果發表在2019年《電工技術學報》增刊2，論文標題為“多芯并聯封裝IGBT缺陷與失效先導判據”，作者為黃先進、凌超、孫湖、游小杰。
