学术简报｜压接型IGBT器件单芯片子模组疲劳失效的仿真

摘要

新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学）、国家电网全球能源互联网研究院的研究人员张经纬、邓二平等，在2018年第18期《电工技术学报》上撰文指出，压接型绝缘栅双极型晶体管（IGBT）器件因其具有双面散热、失效短路和易于串联等优点特别适合应用于柔性直流输电等大功率领域。

但这种压接封装结构的器件在经历长时间的循环热应力后，各组件中的金属材料会逐渐出现疲劳失效，对器件可靠性产生不利影响。建立压接型IGBT器件的单芯片子模组有限元仿真模型，利用功率循环仿真来模拟器件所经历的循环热应力工况，并对功率循环仿真结果进行热和力的分析。同时应用组合Coffin-Mason和Basquin模型对IGBT芯片进行疲劳寿命预测。

结果表明芯片与发射极钼片相接触的边缘区域承受的压力最大也最易变形，且在高应力条件下芯片的疲劳寿命只有10000多次循环。最后结合实际失效的芯片和仿真结果提出压接型IGBT器件一种“压力失效”模式，并对其相应的失效机理进行了一些初步解释。

柔性直流输电系统（Voltage Source Converter- High Voltage Direct Current, VSC-HVDC）因其具有自关断、控制灵活以及故障后恢复能力强等优点，逐渐成为下一代直流输电系统的主流。作为柔性直流输电系统的最为关键的组件——IGBT器件，其可靠性的高低，对柔性直流输电系统的可靠性有着直接影响。压接封装结构的IGBT器件因其克服了传统焊接式IGBT模块单面散热、键合线易脱落和焊层易开裂等缺点，正逐步应用在柔性直流输电等大功率领域。

压接型IGBT器件各组件是直接利用螺栓和碟簧刚性压接在一起的，所以在正常工作期间器件会同时承受巨大的固定压力和循环热应力。对于应用在换流阀中的压接型IGBT器件来说，往往需要其在高应力环境中能有十几年到几十年的工作寿命。

功率循环试验是通过半导体器件自身循环开通和关断电流，利用电流热效应在器件内部产生周期性温度梯度的变化，来模拟器件所经历的工况，是对器件寿命进行考核最为常用的、也是最为接近真实工况的试验。但真实的功率循环试验系统复杂、试验周期长，则可以首先利用有限元仿真软件来对压接型IGBT器件进行功率循环仿真模拟，仿真获得的参数设置标准以及模拟试验结果也可为后续真实的功率循环试验提供参考。

压接型IGBT器件是一种新型封装器件，国内对其可靠性研究还处于起步阶段，而国外各大学和研究机构对其可靠性的研究也十分有限。R. Schlegel等对弹簧式压接型IGBT器件进行了耐湿实验和功率循环实验，并对单个芯片的短路失效模式进行了研究，但ABB公司已持有这种弹簧式的压接封装形式的专利并受到保护。

F. Wakeman等对压接型IGBT器件进行了功率循环试验，发现芯片发射极表面出现了表面金属化现象，但没有进一步解释芯片失效的原因。M. Ciappa等分析总结了九种IGBT模块的失效模式，对压接型IGBT器件失效模式的研究具有指导意义。

C. Busca等总结了IGBT的失效机理、各种半导体模块的寿命模型以及任务曲线和加速寿命试验的概念，为选择压接型IGBT器件寿命预测模型并进行疲劳寿命预测提供了参考。查阅有关资料，未发现有对压接型IGBT器件进行功率循环仿真模拟以及进行疲劳寿命预测研究的文献。

鉴于上述说明及研究现状的不足，本文针对压接型IGBT器件建立了单芯片子模组模型，进行了功率循环仿真模拟，研究了影响寿命的薄弱环节。考虑到现阶段有关压接型IGBT器件寿命预测的研究还是空白，本文提出了适用于压接型IGBT器件中的疲劳寿命预测方法，获得了三种仿真试验条件下的芯片寿命。最后，提出了压接型IGBT器件的“压力失效”模式，并对压接型IGBT器件的疲劳失效机理进行了初步解释。

图1  凸台式压接型IGBT器件外观图和内部结构

结论

本文对压接型IGBT器件单芯片子模组进行了仿真研究，开展的主要工作如下：

1）建立了压接型IGBT器件单芯片子模组仿真模型，利用线性随动强化模型来描述金属材料的瞬态特性，从而使子模组模型更准确。

2）对子模组模型进行了功率循环仿真，研究了子模组的热力特性，发现芯片与发射极钼片相接触的边缘区域是疲劳薄弱环节。

3）建立适用于压接型IGBT器件的疲劳寿命预测模型，得到了不同仿真条件下的芯片寿命，仿真结果表明子模组寿命只有10000多次循环。

4）提出了“压力失效”模式，并对芯片失效后饱和压降VCE升高的原因进行了解释。

文中功率循环仿真结果可以为后续真实功率循环试验提供试验参数参考和试验标准制定的依据。通过疲劳寿命预测仿真可以预估单芯片子模组的寿命时长，便于在真实试验过程中适时停止试验并检测器件参数进而判定器件是否失效。同时，单芯片子模组建模和分析过程可以为多芯片器件仿真打下基础。在现有模型基础上添加其他边界条件后可以研究其他因素对器件热力特性以及寿命的影响，便于对器件进行性能评估和结构优化。

对于未来需要继续开展的工作：

1）为了得到单芯片子模组的真实寿命，需要利用功率循环加速应力仿真的结果和外推模型进行寿命外推，外推模型还需大量的真实功率循环试验数据进一步研究确定。

2）本文对芯片“压力失效”的模式和对应的失效机理研究不够深入，需要进一步深入研究。

3）各组件在功率循环中会因相对位移而出现滑动磨损，在多种失效模式下如何对器件进行寿命预测，并对各种失效机理进行解耦分析，也是个巨大的挑战。