SiC單管并聯(lián)模組功率循環(huán)及失效機(jī)理研究

第56卷第8期2022年8月魏兆陽',王佳寧12,黃耀東',樊志鑫1WEIZhaoyangWANGJianingHUANGYaodongFANZhiHefeiUniversityofTechnologyNationalandLocalJointEngineeriAbstractSiliconcarbideSiCmcharacteristicsisgraduallyreplacingsiliconSibasereliabilityhasbeenthefocusofresearchThepowercyclingtestisaneofthecurrentresearchobjectsareindependentdiscreteorcreteistakenceramicpiecesthermalgreaselaminatedbthroughthepowercyclingtesttoevaluateitsoverallreliabilitythermalresistancedegradationdegreeofthermalgreasearemeasurshowthatthethermalresistanceoftheSiCMOSFETjunctiontothecaseremainsbascyclingtestthefailureofthemoduleiscausedbytheincreaseinthwhichcausesthejunctiontemperaturetoincreaseandfinallyleadsFoundationProjectSupportedbyNationalNaturalScienceFoundationGeneralProgrInstituteofEnergyatHefeiCo近年來，由于SiCMOSFET耐高溫、耐高壓、高開關(guān)速度、低損耗的優(yōu)越特性，已廣泛應(yīng)用于電動汽車驅(qū)動器Ⅱ。在此運(yùn)用中，其長期運(yùn)行的可靠性問題成為了關(guān)注的焦點。功率循環(huán)試驗是評估功率半導(dǎo)體器件可靠性最常用的加速老化試驗，通過負(fù)載電流控制待測器件結(jié)溫周期性的快速變化達(dá)到加速老化的效果，其測試結(jié)果在一定程度上可反映真實工況下的可靠性。雖然SiCMOSFET存在閾值電壓不穩(wěn)定的特性，導(dǎo)致傳統(tǒng)Si基器件的功率循環(huán)試驗方法不能完全應(yīng)用于SiCMOSFET,但目前針對SiCMOSFET的功率循環(huán)試驗及失效機(jī)理也已有了較多研究。文獻(xiàn)[2]通過功率循環(huán)試驗探究了SiCMOSFET單管在正向?qū)ê腕w二極管導(dǎo)通模式下的失效機(jī)理。文獻(xiàn)[3]通過改進(jìn)功率循環(huán)試驗中導(dǎo)通電阻Rm監(jiān)測方法實現(xiàn)了SiCMOSFET芯片老化及封裝老化的獨立評估。文獻(xiàn)[4]分析了功率ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouseAllrigh2022年8月循環(huán)試驗中的不同負(fù)載電流密度對SiCMOSFET模塊鍵合線老化的影響。然而，目前大多文獻(xiàn)中功率循環(huán)的試驗對象僅僅針對獨立的單管或模塊，所關(guān)注的失效位置也僅僅是器件內(nèi)部的鍵合線和焊料層，而在實際應(yīng)用中，例如電動汽車驅(qū)動器，功率半導(dǎo)體器件通常是通過導(dǎo)熱硅脂等熱界面材料貼在水冷散熱器上，在這樣的系統(tǒng)級模組裝置中，器件內(nèi)部焊料層及外部導(dǎo)熱硅脂的老化都會造成器件熱阻增大從而導(dǎo)致結(jié)溫超限而損壞，因此，對于器件外部導(dǎo)熱硅脂的可靠性評估同樣重要。將整個系統(tǒng)級模組裝置作為功率循環(huán)的試驗對象，所得到的測試結(jié)果將與實際結(jié)果更相符合。此處將已實際應(yīng)用于電動汽車驅(qū)動器中的單管并聯(lián)模組作為測試對象進(jìn)行功率循環(huán)試驗，并通過結(jié)構(gòu)函數(shù)法實現(xiàn)模組整體熱阻的監(jiān)測以及導(dǎo)熱硅脂熱阻退化程度的判斷。最后，基于試驗結(jié)果分析了模組的失效機(jī)理，揭示了影響模組可靠性的主要因素。2SiCMOSFET單管并聯(lián)模組結(jié)構(gòu)圖1為所研究的三相SiCMOSFET單管并聯(lián)模組其中一相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每相上橋臂和下橋臂均由6個TO-247封裝的SiCMOSFET單管并聯(lián)組成，所有單管一一對稱布局于疊層母排上，所述疊層母排包括直流正極母排、直流負(fù)極母排、交流母排，3層母排通過絕緣材料實現(xiàn)疊層設(shè)置，每相上橋臂并聯(lián)單管的漏極(D)均與疊層母排的直流正極母排連接，每相下橋臂并聯(lián)單管的源極(S)均與疊層母排的直流負(fù)極母排連接，每相上橋臂并聯(lián)單管的S與下橋臂并聯(lián)單管的D均與交流母排連接。模組中每相上、下橋臂的所有單管均通過導(dǎo)熱硅脂和陶瓷片貼于同一個水冷散熱器的正反3.1結(jié)溫測量功率循環(huán)試驗中需要對結(jié)溫7進(jìn)行在線監(jiān)測，常用的結(jié)溫測量方法是通過測量溫敏電參數(shù)來間接測量結(jié)溫,因此在功率循環(huán)試驗前需要對于SiCMOSFET存在閾值電壓漂移效應(yīng)，導(dǎo)致導(dǎo)管壓降作為SiCMOSFET的溫敏參數(shù)。溫敏參數(shù)校準(zhǔn)原理如圖2所示，將待測模組放入恒溫箱中，當(dāng)恒溫箱溫度達(dá)到設(shè)定值并穩(wěn)定30min后，通入200mA的測試電流，測量該溫度點下并聯(lián)單管的體二極管壓降。為保證消除閾值電壓漂移效應(yīng)對校準(zhǔn)結(jié)果的影響，必須選擇合適的柵極電壓保證溝道完全關(guān)斷，溫敏參數(shù)校準(zhǔn)結(jié)果如圖3所示，當(dāng)柵極電壓小于-5V時，校準(zhǔn)曲線不再發(fā)生變化，因此該次試驗選用-5V的柵極電壓。FigCalibrationcurvesoftemperaturesensitivepara3.2試驗電路模組中單個橋臂的功率循環(huán)測試電路如圖4所示，當(dāng)柵極施加20V的電壓信號時，輔助開關(guān)閉合，6個并聯(lián)的MOSFET均處于正向?qū)Ｊ?，MOSFET在負(fù)載電流的作用下產(chǎn)生較大的功耗，此時結(jié)溫處于上升過程；當(dāng)柵極施加-5V的電壓信號時，輔助開關(guān)斷開，6個并聯(lián)的MOSFET均處于體二極管導(dǎo)通模式，測量電流流入MOSFET進(jìn)行結(jié)溫測量，由于100mA的測量電流所產(chǎn)生的功ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouseAllri驗所使用的功率循環(huán)測試臺MicReDPowerTester1500A/8V包括進(jìn)行電流控制、驅(qū)動控制、信號采集以及水冷控制。FigSchematicdiagramofpo3.3基于結(jié)構(gòu)函數(shù)法的熱阻測量由于器件內(nèi)部芯片和焊料層的熱膨脹系(CTE)不匹配程度最為嚴(yán)重，因此焊料層最容易受到熱應(yīng)力的影響發(fā)生老化，導(dǎo)致器件結(jié)-殼熱阻增大161。此外，所測試的模組中，各個并聯(lián)單管均通過兩層導(dǎo)熱硅脂貼在水冷散熱器上，由于導(dǎo)熱硅脂并非固體，相對于焊料層更容易受到熱應(yīng)力的影響產(chǎn)生位移，造成導(dǎo)熱硅脂分布不均，導(dǎo)致單管外殼-散熱器熱阻增大。焊料層和導(dǎo)熱硅脂層的熱阻增大均會造成模組中各個并聯(lián)單管的T;及結(jié)溫波動dT]增大從而加速老化進(jìn)程。因此，熱阻的增量可作為焊料層和導(dǎo)熱硅脂的失效表征，在功率循環(huán)試驗中需要對模組熱阻進(jìn)行實時監(jiān)測。AQG-324測試標(biāo)準(zhǔn)中所講述的傳統(tǒng)熱電偶測試方法是目前功率循環(huán)試驗中使用最普遍的，結(jié)-散熱器熱阻Rb。,計算公式如下：該方法需要在散熱器中開孔放置熱電偶用于測量T。這種測試方法優(yōu)點是操作簡單，缺點是熱電偶放置位置對測量結(jié)果影響較大，并且由于所測試的單管并聯(lián)模組結(jié)構(gòu)特殊，并無可以放置熱電偶的位置，因此傳統(tǒng)的熱電偶測試熱阻方法并不適用。此處采用結(jié)構(gòu)函數(shù)法17)進(jìn)行熱阻測量，該方法無需用熱電偶進(jìn)行殼溫T.測量并且可以實現(xiàn)焊料層和導(dǎo)熱硅脂熱阻退化程度的判斷。通過對器件瞬態(tài)熱阻抗曲線進(jìn)行微分、反卷積、離散化處理、熱網(wǎng)絡(luò)模型轉(zhuǎn)換等一系列數(shù)學(xué)變換后可得到積分結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線，如圖5所示。瞬態(tài)阻抗Z,計算公式如下：積分結(jié)構(gòu)函數(shù)是芯片到散熱器的熱容-熱阻函數(shù)，曲線上斜率較小的區(qū)域代表熱阻大、熱容小的結(jié)構(gòu)，曲線上斜率大的區(qū)域代表熱阻小、熱容大的結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)函數(shù)的末端，其值趨向于一條垂直的漸近線，此時代表熱流傳導(dǎo)到了空氣，由于空氣的體積無窮大，因此熱容也就無窮大，從原點到這條漸近線之間的X值就是結(jié)到空氣的熱阻Rb.j,這條漸近線在x軸上的平移距離表示模組整體熱阻的增量。理論上可以通過積分結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線的斜率變化確定模組各層結(jié)構(gòu)的熱阻，但實際上，由于測量誤差和噪聲的影響，所獲得的積分結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線上一些區(qū)域斜率的變化并不完全是模組內(nèi)部結(jié)構(gòu)熱阻、熱容真實的變化，并且模組中導(dǎo)熱硅脂、陶瓷片、散熱器結(jié)構(gòu)的積分結(jié)構(gòu)函數(shù)斜率變化并不明顯，無法進(jìn)行準(zhǔn)確的劃分。因此，在功率循環(huán)試驗前通過JESD51-14標(biāo)準(zhǔn)中的瞬態(tài)雙界面法測量模組中各個并聯(lián)單管的結(jié)-殼熱阻，并根據(jù)計算得到的模組中單管并聯(lián)結(jié)-殼熱阻的等效值Rb.r,可在積分結(jié)構(gòu)函數(shù)中確定并聯(lián)結(jié)-殼熱容等效值Ch,,因而可以準(zhǔn)確在結(jié)構(gòu)函數(shù)中劃分模組結(jié)構(gòu)區(qū)域，如圖5所示。每隔一定功率循環(huán)周期進(jìn)行一次結(jié)構(gòu)函數(shù)測量，當(dāng)僅有導(dǎo)熱硅脂發(fā)生老化時，積分結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線會在導(dǎo)熱硅脂-環(huán)境熱阻區(qū)域處發(fā)生分離，此時模組整體熱阻的增量即為導(dǎo)熱硅脂熱阻的增量；當(dāng)焊料層ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouseAllrighNNr第56卷第8期電力電子技術(shù)NNr2022年8月PowerElectronicsAugust2022發(fā)生老化時，積分結(jié)構(gòu)函數(shù)會在芯片-銅基板(結(jié)-殼)熱阻區(qū)域發(fā)生分離，此時讀取C,n在積分結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線上對應(yīng)的橫坐標(biāo)，即為焊料層老化后并聯(lián)結(jié)-殼熱阻等效值。此方法中認(rèn)為焊料層老化時Cu,,保持不變，但實際上根據(jù)當(dāng)焊料層產(chǎn)生空洞或裂紋時其熱容會減小，即積分結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線會向右下方偏移，所測得的焊料層熱阻增量會偏大，因此該方法僅可定性分析在功率循環(huán)試驗中模組焊料層和導(dǎo)熱硅脂的退化程度，若要準(zhǔn)確地確定模組焊料層的熱阻增量，必須在功率循環(huán)試驗結(jié)束后再次測量模組各個并聯(lián)單管的結(jié)-殼熱阻值。3.4試驗條件此處選用三相模組其中一相的上橋臂和下橋臂作為兩組功率循環(huán)試驗的測試對象，功率循環(huán)試驗條件：上橋臂負(fù)載電流1m=375A;下橋臂1mt=385A;上橋臂與下橋臂導(dǎo)通/關(guān)斷時間To/T均為2s/4s;上橋臂與下橋臂最大結(jié)溫Tm.均為123℃;上橋臂與下橋臂最小結(jié)溫Tmo均為27℃;上橋臂與下橋臂結(jié)溫波動△T,均為96K;上橋臂與下橋臂柵極電壓Uc均為20V/-5V。為保證有效監(jiān)測模組熱阻變化情況，設(shè)定每隔500次循環(huán)周期進(jìn)行一次瞬態(tài)阻抗測試，同時將瞬態(tài)阻抗曲線轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)函數(shù)讀取熱阻值，瞬態(tài)阻抗測試條件：上橋臂1t=300A;下橋臂1=311A;上橋臂與下橋臂T/T。均為100s/100s;上橋臂與下橋臂T.均為122℃;上橋臂與下橋臂T。均為27℃;上橋臂與下橋臂△T;均為95K;上橋臂與下橋臂Uc均為20V/-5V。功率循環(huán)試驗中模組Um的變化可反映鍵合線的老化狀態(tài)，因此需要實時監(jiān)測，但功率循環(huán)設(shè)備中的Um是在結(jié)溫上升階段測量的，因此為避免SiCMOSFET導(dǎo)通電阻正溫度系數(shù)對鍵合線老化評估的影響，需要每隔5000次循環(huán)周期，通過靜態(tài)參數(shù)測試儀HUSTEC-2000A-MT在冷卻狀態(tài)下(T=25℃)進(jìn)行一次Ux.測試。4試驗結(jié)果及失效分析兩組功率循環(huán)試驗結(jié)溫波動△T,△U及R.變化趨勢見圖6,其中△Um及模組整體Ra,已進(jìn)行歸一化處理。兩組測試結(jié)果中，上橋臂各參數(shù)在試驗初期呈現(xiàn)緩慢增大趨勢，到試驗后期增長速度開始上升；下橋臂各參數(shù)試驗初期變化趨勢與上橋臂相同，試驗中期增長速度開始上升。鍵合線的老化和結(jié)溫的升高都會導(dǎo)致△Uxn的增長。根據(jù)表1中測試結(jié)果，試驗初期模組在冷卻狀態(tài)下測試的△U并未發(fā)生變化，因此在試驗初期熱阻增大引起的結(jié)溫升高是導(dǎo)致△Um增長的主要原因。當(dāng)鍵合線老化引起△Um增長時，由于導(dǎo)通電阻Rn具有正溫度系數(shù)，功率損耗會增大，導(dǎo)波動△T,△Um的增長速度加快。與表1Um測試結(jié)果N0下橋臂0模組上橋臂和下橋臂功率循環(huán)試驗前后的積分結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線如圖7所示，其分離點均出現(xiàn)在導(dǎo)熱硅脂-環(huán)境熱阻區(qū)域，結(jié)-殼熱阻區(qū)域曲線重合度較高，因此熱阻的增長是由導(dǎo)熱硅脂老化導(dǎo)致，而各個并聯(lián)單管的焊料層在功率循環(huán)試驗中并未發(fā)生老化，模組功率循環(huán)試驗前后結(jié)-殼熱阻及導(dǎo)熱硅脂熱阻變化如表2所示。N?N上橋臂下橋臂△Rh.s/%00000000根據(jù)AQG-324標(biāo)準(zhǔn)中的失效標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)導(dǎo)通壓ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouseAllri降的增量達(dá)到5%或者熱阻的增量達(dá)到20%時認(rèn)為器件失效。在N=65007時，上橋臂導(dǎo)通壓降U的增量超過5%,此時整體熱阻增量為7.59%;N=32497時，下橋臂Um的增量達(dá)到4.9%,此時整體熱阻增量為9.47%,因此兩組測試對象的失效模式均為鍵合線失效。此處對已應(yīng)用于電動汽車驅(qū)動器中的SiCMOSFET單管并聯(lián)模組進(jìn)行功率循環(huán)試驗，通過結(jié)構(gòu)函數(shù)法監(jiān)測模組整體熱阻的變化并實現(xiàn)導(dǎo)熱硅脂老化程度的判斷。從試驗結(jié)果中得到結(jié)論：在功率循環(huán)試驗中，各并聯(lián)單管結(jié)-殼熱阻基本未發(fā)生變化，導(dǎo)熱硅脂的老化導(dǎo)致模組整體熱阻的增大，引起結(jié)溫波動△T)的升高，由于Rdm具有正溫度系數(shù)，正反饋機(jī)制的效應(yīng)加速了鍵合線的老化速度，最終導(dǎo)致鍵合線先發(fā)生失效。模組下橋臂導(dǎo)熱硅脂老化速度更快的原因尚不明確，下一步將對導(dǎo)熱硅脂的失效機(jī)理進(jìn)行深入研究，并提出模組結(jié)構(gòu)的改進(jìn)方法。參考文獻(xiàn)ofThresholdVoltageShifetinH[3]陳杰，鄧二平，趙子軒，等.不同老化試驗方法下SiCMOSFET失效機(jī)理分析[J].電工技術(shù)學(xué)報，2020,ofCurrentDensityInfluenceonRateinSiCMOSFETModulesIEEE