以下內(nèi)容發(fā)表在「SysPro系統(tǒng)工程智庫」知識星球

- 關(guān)于IGBT可靠性的學(xué)習(xí)總結(jié)節(jié)選，全文11000字

- SysPro系統(tǒng)工程智庫內(nèi)部學(xué)習(xí)用，非授權(quán)不得轉(zhuǎn)載

- 本篇為節(jié)選，完整內(nèi)容會在知識星球發(fā)布，歡迎學(xué)習(xí)、交流

導(dǎo)語：在之前的文章里，我們探討驅(qū)動系統(tǒng)的電機(jī)控制器在熱應(yīng)力、電應(yīng)力作用下的耐久，討論了為什么做？怎么做？以及如何從機(jī)理角度定制化這一試驗(yàn)？并簡要概述了IGBT壽命的計算流程。

今天我們站在IGBT可靠性機(jī)理的視角，對造成其失效的功率循環(huán)（PC）和熱循環(huán)（TC），從本質(zhì)和規(guī)格參數(shù)角度說明起源和影響問題，結(jié)合一些案例理解這其中的邏輯；最后用通俗易懂的語言對雨流計數(shù)法進(jìn)行說明，闡述：IGBT是如何利用這一方法，在開發(fā)之初完成壽命的評估的？

目錄電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)IGBT可靠性指南(上篇)
1. IGBT的功率循環(huán)(PC)與熱循環(huán)(TC)

• 1.1 IGBT的負(fù)載條件分析
• 1.2 PC與TC的本質(zhì)

2. 功率循環(huán)（PC）

• 2.1 功率循環(huán)應(yīng)力與影響因素
• 2.2 與PC相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)說明
• 2.3 關(guān)于PC失效常見的問題(知識星球發(fā)布)
• 2.4 應(yīng)用實(shí)例說明(知識星球發(fā)布)
• 2.4.1 案例1：IGBT連續(xù)工作
• 2.4.2 案例2：IGBT間歇式工作

電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)IGBT可靠性指南(下篇)

3.熱循環(huán)(TC)(知識星球發(fā)布)

3.1 熱循環(huán)應(yīng)力產(chǎn)生機(jī)理及影響

3.1.1 熱膨脹冷卻系數(shù)帶來的問題

3.1.2 熱膨脹冷卻系數(shù)解決辦法

3.2 案例說明

4. IGBT疲勞壽命數(shù)據(jù)分析方法說明：雨流計數(shù)法(知識星球發(fā)布)

4.1 為什么要用雨流計數(shù)法？

4.2 什么是雨流計數(shù)法？"雨流"怎么流?

4.3 案例說明雨流計數(shù)的方法

4.4 基于雨流法的IGBT壽命估算

注: 本篇為節(jié)選，完整內(nèi)容會在知識星球發(fā)布(點(diǎn)擊文末"閱讀原文")

電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)IGBT可靠性指南(上篇)

01

IGBT的功率循環(huán)(PC)與熱循環(huán)(TC)

1.1 IGBT的負(fù)載條件分析

在電動汽車的應(yīng)用中，逆變器作為核心部件，其內(nèi)部的IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）在電力轉(zhuǎn)換與分配方面扮演著至關(guān)重要的角色，是確保電動汽車動力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行和高效能輸出的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。隨著電動汽車技術(shù)的飛速發(fā)展，IGBT等電力電子元件在逆變器中的應(yīng)用日益廣泛。然而，在電動汽車的實(shí)際運(yùn)行中，逆變器及其內(nèi)部的IGBT面臨著復(fù)雜多變的負(fù)載條件和嚴(yán)苛的熱環(huán)境，這些因素直接對其性能和壽命產(chǎn)生著重要影響。

圖片來源：SysPro系統(tǒng)工程智庫

為了確保電力半導(dǎo)體器件能夠達(dá)到預(yù)期的使用壽命，我們需要制定一些規(guī)格或標(biāo)準(zhǔn)。這些Spec.會規(guī)定器件在工作時所能承受的最大負(fù)載應(yīng)力（比如電流、電壓變化引起的熱應(yīng)力等）。在實(shí)際應(yīng)用中，我們必須確保器件所受到的負(fù)載應(yīng)力不會超過這些規(guī)格所定義的限制，這樣才能保證器件的穩(wěn)定運(yùn)行和長壽命。

對于功率半導(dǎo)體，主要面臨的兩種不同類型的循環(huán)能力測試：功率循環(huán)(PC)和熱循環(huán)(TC)，它們分別與不同的溫度變化有關(guān)。

1.2 功率循環(huán)(PC) 和 溫度循環(huán)(TC) 的本質(zhì)

那么，究竟什么是PC和TC？下面我逐個解釋下。

->功率循環(huán)（PC）

定義：這種循環(huán)能力測試關(guān)注的是元件內(nèi)部結(jié)溫（junction temperature，簡稱?Tvj）的變化。簡單來說，就是當(dāng)元件在工作時，由于電流和電壓的變化，其內(nèi)部會產(chǎn)生熱量，導(dǎo)致結(jié)溫上升和下降。這種由功率變化引起的溫度循環(huán)，就是功率循環(huán)（PC）。

主要考察：元件在反復(fù)功率變化下的耐用性和穩(wěn)定性。

->熱循環(huán)（TC）定義：與功率循環(huán)不同，熱循環(huán)關(guān)注的是元件外部焊接點(diǎn)（solder joint）和外殼（case）的溫度變化（簡稱?TC）。這是因?yàn)樵诠ぷ鲿r，不僅內(nèi)部會產(chǎn)生熱量，還會通過外殼和焊接點(diǎn)與外界環(huán)境進(jìn)行熱交換。當(dāng)環(huán)境溫度或元件散熱條件發(fā)生變化時，焊接點(diǎn)和外殼的溫度也會隨之變化，形成熱循環(huán)（TC）。主要考察：這種測試主要考察元件在溫度變化環(huán)境下的可靠性和耐久性。

圖7 Cu基板IGBT在TC循環(huán)下的熱界面穩(wěn)定性微觀圖

圖片來源：英飛凌

OK，了解了PC和TC，那么在兩種不同的負(fù)載應(yīng)力下，存在哪些潛在的失效模式呢？其失效機(jī)制是什么？我們又要如何預(yù)防、驗(yàn)證和優(yōu)化呢？下面，我們接著聊。

| SysPro注釋：以下解讀針對不同類型的產(chǎn)品拓?fù)洹㈦娏髅芏?、尺寸和芯片，?shí)際應(yīng)用中，要結(jié)合具體產(chǎn)品類型評估。

02

功率循環(huán)（PC）

2.1 功率循環(huán)應(yīng)力與影響因素通常，在IGBT功率模塊中，會選用引線鍵合工藝(wire-bonding process)來實(shí)現(xiàn)電氣間的互聯(lián)。如下圖的功率模塊所示，大約包含了450根線，并且這些線通過900個楔形鍵合點(diǎn)連接在一起。

圖1 IGBT模塊、IPM、分立器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

圖片來源：英飛凌

-> 提升可靠性的常規(guī)技術(shù)手段

為了提升功率電子半導(dǎo)體可靠性，我們的研發(fā)人員投入了大量的工作來加速進(jìn)行電力循環(huán)測試，分析導(dǎo)致故障的原因，并改進(jìn)連接和芯片附著技術(shù)。一般有以下一些技術(shù)手段：

線材成分的優(yōu)化：用于連接電子元件的導(dǎo)線的材料得到了優(yōu)化，使其性能更加穩(wěn)定，有助于提升整個系統(tǒng)的可靠性

鍵合工裝的優(yōu)化：鍵合工裝設(shè)計得更加合理，提高了連接的準(zhǔn)確性和牢固度

鍵合參數(shù)的改進(jìn)：在鍵合過程中使用的參數(shù)（如溫度、壓力、時間等）得到了精細(xì)調(diào)整，以確保最佳的連接效果

芯片金屬化技術(shù)的提升：芯片表面的金屬化層（用于與導(dǎo)線連接的金屬層）的制作技術(shù)得到了改進(jìn)，使得連接更加可靠，減少了故障發(fā)生的可能性

引入更先進(jìn)的芯片附著工藝：如擴(kuò)散焊接和燒結(jié)技術(shù)，這些新技術(shù)使得芯片與基板之間的連接更加牢固，進(jìn)一步提高了設(shè)備的可靠性

可以看出，因?yàn)镻C的存在，電流和電壓的變化會導(dǎo)致在很短的時間間隔內(nèi)，內(nèi)部結(jié)溫溫度會反復(fù)的升高和降低。在實(shí)際測試或使用過程中，主要的應(yīng)力會集中在Si芯片上的鍵合線以及Si芯片下方的焊接接頭上。

那么，這一應(yīng)力的大小，主要取決什么呢？有下面5個關(guān)鍵指標(biāo)因素,，具體解釋下（知識星球發(fā)布）：

...

所以，可以看到：功率半導(dǎo)體器件的PC應(yīng)力受到其工作時結(jié)點(diǎn)的絕對溫度、溫度波動的范圍、循環(huán)的周期以及每個循環(huán)中導(dǎo)通時間的影響。這些因素共同決定了器件在PC中的穩(wěn)定性和耐久性。| SysPro注釋：這里要多留意，實(shí)際測試時就是通過不斷重復(fù)設(shè)置這些的電流和溫度上限，來模擬和檢查模塊在這些條件下的工作穩(wěn)定性和性能。

2.2 與PC相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)說明

（知識星球發(fā)布）

站在IGBT規(guī)格書的視角來看，與PC相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)主要有下面7個，我們注意解釋下what和why?

...

...

...

|SysPro注釋：

• 關(guān)于更多IGBT特性參數(shù)的說明我們之前已經(jīng)解釋過，感興趣的可以再回顧下這篇文章：電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)IGBT關(guān)鍵參數(shù)指南：開關(guān)特性、熱特性、最大電壓、額定電流、脈沖電流、反偏工作區(qū)、輸出特性、Diode參數(shù)說明
• 另外，對于封裝好的IGBT（包含二極管芯片），其IGBT和Diode的Inom是相同的，此時不用考慮Diode的標(biāo)稱額定電流。
  

2.3 關(guān)于PC失效常見的問題

（知識星球中發(fā)布）

下面是IGBT在功率循環(huán)失效中常遇到的幾個典型問題：

1. 既然談PC下的失效，那么失效標(biāo)準(zhǔn)是什么呢？...2. 圖2所示的功率循環(huán)曲線，在什么樣的溫度范圍內(nèi)是有效的？...3. 失敗率是多少？...4. 在評估功率循環(huán)（PC）時，應(yīng)該考慮哪些循環(huán)時間作為重要的參考因素？...|SysPro注釋：

很多模塊廠商都會采用相同的PC循環(huán)曲線來表達(dá)其產(chǎn)品能力，為了做到apple-to-apple比較，一定要在同一個測試條件下獲取的數(shù)據(jù)。例如，下面這些"手段"均可以改善測試結(jié)果：...

2.4 應(yīng)用實(shí)例說明

（知識星球中發(fā)布）

基本理論了解了，那么如何使用功率循環(huán)圖來評估功率模塊在典型應(yīng)用條件下的承載能力呢？下面我們通過一個案例來直觀的感受下。2.4.1 案例1：IGBT連續(xù)工作->典型用例說明...->現(xiàn)象解釋與壽命計算方法...

2.4.2案例2：IGBT間歇式工作

->典型用例說明...->現(xiàn)象解釋與壽命計算方法...

電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)IGBT可靠性指南(下篇)03

熱循環(huán)（TC）

3.1 熱循環(huán)應(yīng)力產(chǎn)生機(jī)理及影響

（知識星球中發(fā)布）

在文章開頭提到過：熱循環(huán)(TC)與功率循環(huán)(PC)不同，熱循環(huán)關(guān)注的是元件外部焊接點(diǎn)（solder joint）和外殼（case）的溫度變化（簡稱?TC）。這是因?yàn)樵诠ぷ鲿r，不僅內(nèi)部會產(chǎn)生熱量，還會通過外殼和焊接點(diǎn)與外界環(huán)境進(jìn)行熱交換。當(dāng)環(huán)境溫度或元件散熱條件發(fā)生變化時，焊接點(diǎn)和外殼的溫度也會隨之變化，形成熱循環(huán)。所以，對于IGBT，我們要從基板切入，了解TC的機(jī)理。

->熱膨脹冷卻系數(shù)帶來的問題...->熱膨脹冷卻系數(shù)解決辦法...

3.2 案例說明

（知識星球中發(fā)布）

為了復(fù)現(xiàn)真實(shí)環(huán)境中溫度變化帶來的熱應(yīng)力的影響，我們需要進(jìn)行溫度循環(huán)耐久測試，以模擬了其工作情況。特別是關(guān)注焊接接頭的耐用性，看它們是否能經(jīng)受住溫度的反復(fù)變化而不出現(xiàn)問題。

->典型用例說明...

->現(xiàn)象解釋與壽命計算方法...

04

IGBT疲勞壽命數(shù)據(jù)分析方法說明：雨流計數(shù)法

4.1 為什么要用雨流計數(shù)法？

（知識星球中發(fā)布）

為了估算IGBT的預(yù)期壽命，我們需要統(tǒng)計在特定條件下，TA經(jīng)歷的溫度循環(huán)次數(shù)。這些溫度循環(huán)可以是基于結(jié)溫Tvj(t)來評估功率循環(huán)的影響，或者是基于外殼溫度Tc(t)來評估熱循環(huán)的影響。那么，采用什么樣的方法來統(tǒng)計呢？

我們在驅(qū)動系統(tǒng)機(jī)械耐久的三部曲中提到過，在處理具有復(fù)雜且不斷變化負(fù)載循環(huán)時，我們會用到一種叫做"雨流計數(shù)法（Rainflow Algorithm）"的算法來分析疲勞數(shù)據(jù)。這個方法對于溫度模式的負(fù)載循環(huán)同樣適用。下面具體來講一下。

4.2 什么是雨流計數(shù)法？"雨流"怎么流?

（知識星球中發(fā)布）

這個算法的作用是把那些復(fù)雜多變的應(yīng)力變化簡化為一系列簡單的循環(huán)次數(shù)。即，把復(fù)雜的溫度變化過程"翻譯"成更容易理解和計算的幾個簡單循環(huán)，從而幫助我們更好地評估設(shè)備的疲勞壽命。其工作方式是這樣的...

雨流計數(shù)法方法示意圖

圖片來源：英飛凌

4.3 案例說明（雨流計數(shù)的方法）

（知識星球中發(fā)布）

以下圖為例,我們使用雨流計數(shù)法來分析這個循環(huán)。解釋下上圖的含義...

然后，統(tǒng)計那些幅值相同但方向相反的半周期，將其數(shù)量加在一起，以此來計算完整循環(huán)的數(shù)量。結(jié)果如下圖所示：...

4.4 IGBT壽命估算方法

（知識星球中發(fā)布）

從上面的案例可以看出：雨滴計數(shù)法總是把幅度相同但方向相反的溫度變化算作一對完整的溫度循環(huán)。因此，這種方法更適合于分析和理解那些溫度波動較大的情況。此外，通過Miner疲勞累積損傷理論，我們可以預(yù)測材料在受到不同應(yīng)力水平下的IGBT的疲勞壽命。具體計算方法如下：...
感謝你的閱讀，希望有所幫助！