功率半導(dǎo)體器件是電力電子系統(tǒng)的主要組成部件。IGBT功率器件的使用壽命可以達(dá)到30年左右，因此在實(shí)際工作條件下測(cè)試IGBT功率器件的可靠性是不現(xiàn)實(shí)的，需要引入加速老化試驗(yàn)。功率循環(huán)試驗(yàn)是用于評(píng)估半導(dǎo)體可靠性的最常見的熱加速測(cè)試之一。由于實(shí)際應(yīng)用中IGBT功率模塊的結(jié)溫波動(dòng)(ΔT_j)一般為40 K，在測(cè)試中，ΔT_j一般需要達(dá)到70 K以上；采用不同的試驗(yàn)條件，構(gòu)建器件的壽命預(yù)測(cè)模型，可以推斷器件在實(shí)際工況下的壽命。

20世紀(jì)90年代，瑞士研究人員發(fā)起了一個(gè)名為L(zhǎng)ESIT的項(xiàng)目，對(duì)大量IGBT模塊進(jìn)行功率循環(huán)測(cè)試，并建立了壽命預(yù)測(cè)模型，包括兩個(gè)最重要的參數(shù)：結(jié)溫?cái)[幅(?Tj)和介質(zhì)溫度(Tm)。目前研究來看，可以認(rèn)為ΔT_j、T_m、t_on和I_c是影響IGBT模塊功率循環(huán)壽命的四個(gè)最重要的測(cè)試條件。因此，在研究某一試驗(yàn)條件對(duì)IGBT模塊的影響時(shí)，需要確保其他試驗(yàn)條件保持不變。

在功率循環(huán)試驗(yàn)中，t_on、I_c和冷卻條件的不同組合可以在一個(gè)模塊中產(chǎn)生相同的ΔT_j和T_m。冷卻條件包括但不限于冷卻劑的類型，溫度和流量以及TIM的類型和厚度。TIM對(duì)從結(jié)到散熱器的總熱阻R_th的貢獻(xiàn)超過50%。當(dāng)功率損耗和t_on恒定時(shí)，結(jié)溫將隨TIM的R_th而變化。但在電加熱條件(ΔT_j、T_m、t_on和I_c)不變的情況下，TIM對(duì)整個(gè)測(cè)試的影響未知且不能忽視，同時(shí)相同的IGBT模塊在不同的冷卻條件下是否具有相同的功率循環(huán)壽命值得研究。

合肥工業(yè)大學(xué)王佳寧研究團(tuán)隊(duì)，針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)IGBT模塊直流功率循環(huán)試驗(yàn)中冷卻條件（包括但不限于冷卻劑的類型、溫度和流量以及熱界面材料(TIM)的類型和厚度）可能對(duì)整個(gè)試驗(yàn)過程產(chǎn)生影響，采用不同種類和厚度的 TIM 來改變冷卻條件，并用冷卻時(shí)間 t_off定量表征。研究了TIM對(duì)IGBT模塊功率循環(huán)壽命的影響，結(jié)果表明，當(dāng)t_off變長(zhǎng)時(shí)，IGBT模塊的功率循環(huán)壽命將會(huì)提高。為了進(jìn)一步研究IGBT在不同冷卻條件下的失效機(jī)制，進(jìn)行了熱-力學(xué)聯(lián)合仿真。研究成果以“Impact of thermal interface material on power cycling lifetime of IGBT module”為題發(fā)表于《Microelectronics Reliability》期刊。

簡(jiǎn)化的熱阻網(wǎng)絡(luò)。

IGBT模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

IGBT模塊垂直結(jié)構(gòu)示意圖。 

1：鍵合線，2：芯片，3：焊錫，4：銅，5：DCB，6：基板，7：TIM，8：散熱器。

直流電源循環(huán)測(cè)試臺(tái)。

1：熱電偶，2：信號(hào)采集線，3：直流電源，4：DUT，5：散熱器。

功率循環(huán)測(cè)試示意圖。

實(shí)驗(yàn)測(cè)試條件。

功率循環(huán)測(cè)試結(jié)果。

功率循環(huán)測(cè)試期間 DUT 的 V_ce 趨勢(shì)。

DUT 1A在功率循環(huán)測(cè)試期間的V_ce和R_th(j-h)趨勢(shì)。

IGBT模塊測(cè)試前后的SAM圖（a）：Bonding界面；(b)：芯片貼裝。

不同 TIM 下 DUTs 的失效周期。

FEM的網(wǎng)格模型。

模型中使用的材料參數(shù)。

模擬和實(shí)驗(yàn)分組相同設(shè)置條件下，相同模擬中不同組的規(guī)格。

芯片的溫度分布和提取路徑。

四組芯片溫度分布對(duì)比。

不同冷卻時(shí)間的熱模擬結(jié)果。

鍵合線的等效應(yīng)力和溫度分布。

(a)：鍵合線結(jié)構(gòu)示意圖；(b)：第4組鍵合線的等效應(yīng)力(t_off =4s)；(c)：第4組鍵合線的溫度分布 (t_off=4s)。

第1組和第4組鍵合線上的應(yīng)力比較。

裂紋擴(kuò)展方向（第一鍵）。

本文采用功率循環(huán)試驗(yàn)和熱-力學(xué)聯(lián)合仿真方法，研究了TIM熱阻對(duì)IGBT模塊功率循環(huán)壽命和失效模式的影響。試驗(yàn)采用單變量控制方法。除TIM熱阻不同外，其他電加熱條件(負(fù)載電流、負(fù)載脈沖持續(xù)時(shí)間、結(jié)溫、結(jié)溫波動(dòng))完全一致。柵極電壓用于調(diào)節(jié)DUT的功率損耗。

可以得出以下結(jié)論：1）TIM熱阻的增加有助于提高功率循環(huán)壽命。主要的失效模式是引線鍵合剝離。2) 由于溫度較高，靠近芯片中心的鍵合線比靠近邊緣的鍵合線更容易損壞。因此，本次測(cè)試中 IGBT 模塊的功率循環(huán)壽命取決于中心鍵合線（4號(hào)和 5號(hào)鍵合線）的壽命。鍵合線的失效點(diǎn)主要是跟部區(qū)域。第一鍵的上升跟部區(qū)域最有可能破裂。3）由于TIM的功率損耗較小，熱阻較高，芯片中心區(qū)域溫度降低，芯片水平溫度梯度減小，使得中心鍵合線上的等效（von Mises）應(yīng)力減小并且壽命得到改善。未來將進(jìn)一步研究其他冷卻條件對(duì)IGBT模塊功率循環(huán)壽命的影響，提出一種考慮冷卻條件壽命的預(yù)測(cè)方法。

標(biāo)簽： 導(dǎo)熱界面材料 點(diǎn)擊： 評(píng)論: