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、高開關速度、低損耗的優越特性，已廣泛應用于電動汽車驅動器Ⅱ。在此運用中，其長期運行的可靠性問題成為了關注的焦點。功率循環試驗是評估功率半導體器件可靠性最常用的加速老化試驗，通過負載電流控制待測器件結溫周期性的快速變化達到加速老化的效果，其測試結果在一定程度上可反映真實工況下的可靠性。雖然SiCMOSFET存在閾值電壓不穩定的特性，導致傳統Si基器件的功率循環試驗方法不能完全應用于SiCMOSFET,但目前針對SiCMOSFET的功率循環試驗及失效機理也已有了較多研究。文獻[2]通過功率循環試驗探究了SiCMOSFET單管在正向導通和體二極管導通模式下的失效機理。文獻[3]通過改進功率循環試驗中導通電阻Rm監測方法實現了SiCMOSFET芯片老化及封裝老化的獨立評估。文獻[4]分析了功率ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouseAllrigh2022年8月循環試驗中的不同負載電流密度對SiCMOSFET模塊鍵合線老化的影響。然而，目前大多文獻中功率循環的試驗對象僅僅針對獨立的單管或模塊，所關注的失效位置也僅僅是器件內部的鍵合線和焊料層，而在實際應用中，例如電動汽車驅動器，功率半導體器件通常是通過導熱硅脂等熱界面材料貼在水冷散熱器上，在這樣的系統級模組裝置中，器件內部焊料層及外部導熱硅脂的老化都會造成器件熱阻增大從而導致結溫超限而損壞，因此，對于器件外部導熱硅脂的可靠性評估同樣重要。將整個系統級模組裝置作為功率循環的試驗對象，所得到的測試結果將與實際結果更相符合。此處將已實際應用于電動汽車驅動器中的單管并聯模組作為測試對象進行功率循環試驗，并通過結構函數法實現模組整體熱阻的監測以及導熱硅脂熱阻退化程度的判斷。最后，基于試驗結果分析了模組的失效機理，揭示了影響模組可靠性的主要因素。2SiCMOSFET單管并聯模組結構圖1為所研究的三相SiCMOSFET單管并聯模組其中一相拓撲結構，每相上橋臂和下橋臂均由6個TO-247封裝的SiCMOSFET單管并聯組成，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、直流負極母排、交流母排，3層母排通過絕緣材料實現疊層設置，每相上橋臂并聯單管的漏極(D)均與疊層母排的直流正極母排連接，每相下橋臂并聯單管的源極(S)均與疊層母排的直流負極母排連接，每相上橋臂并聯單管的S與下橋臂并聯單管的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熱硅脂和陶瓷片貼于同一個水冷散熱器的正反3.1結溫測量功率循環試驗中需要對結溫7進行在線監測，常用的結溫測量方法是通過測量溫敏電參數來間接測量結溫,因此在功率循環試驗前需要對于SiCMOSFET存在閾值電壓漂移效應，導致導管壓降作為SiCMOSFET的溫敏參數。溫敏參數校準原理如圖2所示，將待測模組放入恒溫箱中，當恒溫箱溫度達到設定值并穩定30min后，通入200mA的測試電流，測量該溫度點下并聯單管的體二極管壓降。為保證消除閾值電壓漂移效應對校準結果的影響，必須選擇合適的柵極電壓保證溝道完全關斷，溫敏參數校準結果如圖3所示，當柵極電壓小于-5V時，校準曲線不再發生變化，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測試電路如圖4所示，當柵極施加20V的電壓信號時，輔助開關閉合，6個并聯的MOSFET均處于正向導通模式，MOSFET在負載電流的作用下產生較大的功耗，此時結溫處于上升過程；當柵極施加-5V的電壓信號時，輔助開關斷開，6個并聯的MOSFET均處于體二極管導通模式，測量電流流入MOSFET進行結溫測量，由于100mA的測量電流所產生的功ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouseAllri驗所使用的功率循環測試臺MicReDPowerTester1500A/8V包括進行電流控制、驅動控制、信號采集以及水冷控制。FigSchematicdiagramofpo3.3基于結構函數法的熱阻測量由于器件內部芯片和焊料層的熱膨脹系(CTE)不匹配程度最為嚴重，因此焊料層最容易受到熱應力的影響發生老化，導致器件結-殼熱阻增大161。此外，所測試的模組中，各個并聯單管均通過兩層導熱硅脂貼在水冷散熱器上，由于導熱硅脂并非固體，相對于焊料層更容易受到熱應力的影響產生位移，造成導熱硅脂分布不均，導致單管外殼-散熱器熱阻增大。焊料層和導熱硅脂層的熱阻增大均會造成模組中各個并聯單管的T;及結溫波動dT]增大從而加速老化進程。因此，熱阻的增量可作為焊料層和導熱硅脂的失效表征，在功率循環試驗中需要對模組熱阻進行實時監測。AQG-324測試標準中所講述的傳統熱電偶測試方法是目前功率循環試驗中使用最普遍的，結-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。這種測試方法優點是操作簡單，缺點是熱電偶放置位置對測量結果影響較大，并且由于所測試的單管并聯模組結構特殊，并無可以放置熱電偶的位置，因此傳統的熱電偶測試熱阻方法并不適用。此處采用結構函數法17)進行熱阻測量，該方法無需用熱電偶進行殼溫T.測量并且可以實現焊料層和導熱硅脂熱阻退化程度的判斷。通過對器件瞬態熱阻抗曲線進行微分、反卷積、離散化處理、熱網絡模型轉換等一系列數學變換后可得到積分結構函數曲線，如圖5所示。瞬態阻抗Z,計算公式如下：積分結構函數是芯片到散熱器的熱容-熱阻函數，曲線上斜率較小的區域代表熱阻大、熱容小的結構，曲線上斜率大的區域代表熱阻小、熱容大的結構，在結構函數的末端，其值趨向于一條垂直的漸近線，此時代表熱流傳導到了空氣，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構函數曲線的斜率變化確定模組各層結構的熱阻，但實際上，由于測量誤差和噪聲的影響，所獲得的積分結構函數曲線上一些區域斜率的變化并不完全是模組內部結構熱阻、熱容真實的變化，并且模組中導熱硅脂、陶瓷片、散熱器結構的積分結構函數斜率變化并不明顯，無法進行準確的劃分。因此，在功率循環試驗前通過JESD51-14標準中的瞬態雙界面法測量模組中各個并聯單管的結-殼熱阻，并根據計算得到的模組中單管并聯結-殼熱阻的等效值Rb.r,可在積分結構函數中確定并聯結-殼熱容等效值Ch,,因而可以準確在結構函數中劃分模組結構區域，如圖5所示。每隔一定功率循環周期進行一次結構函數測量，當僅有導熱硅脂發生老化時，積分結構函數曲線會在導熱硅脂-環境熱阻區域處發生分離，此時模組整體熱阻的增量即為導熱硅脂熱阻的增量；當焊料層ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouseAllrighNNr第56卷第8期電力電子技術NNr2022年8月PowerElectronicsAugust2022發生老化時，積分結構函數會在芯片-銅基板(結-殼)熱阻區域發生分離，此時讀取C,n在積分結構函數曲線上對應的橫坐標，即為焊料層老化后并聯結-殼熱阻等效值。此方法中認為焊料層老化時Cu,,保持不變，但實際上根據當焊料層產生空洞或裂紋時其熱容會減小，即積分結構函數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試驗中模組焊料層和導熱硅脂的退化程度，若要準確地確定模組焊料層的熱阻增量，必須在功率循環試驗結束后再次測量模組各個并聯單管的結-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試驗的測試對象，功率循環試驗條件：上橋臂負載電流1m=375A;下橋臂1mt=385A;上橋臂與下橋臂導通/關斷時間To/T均為2s/4s;上橋臂與下橋臂最大結溫Tm.均為123℃;上橋臂與下橋臂最小結溫Tmo均為27℃;上橋臂與下橋臂結溫波動△T,均為96K;上橋臂與下橋臂柵極電壓Uc均為20V/-5V。為保證有效監測模組熱阻變化情況，設定每隔500次循環周期進行一次瞬態阻抗測試，同時將瞬態阻抗曲線轉化為結構函數讀取熱阻值，瞬態阻抗測試條件：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。功率循環試驗中模組Um的變化可反映鍵合線的老化狀態，因此需要實時監測，但功率循環設備中的Um是在結溫上升階段測量的，因此為避免SiCMOSFET導通電阻正溫度系數對鍵合線老化評估的影響，需要每隔5000次循環周期，通過靜態參數測試儀HUSTEC-2000A-MT在冷卻狀態下(T=25℃)進行一次Ux.測試。4試驗結果及失效分析兩組功率循環試驗結溫波動△T,△U及R.變化趨勢見圖6,其中△Um及模組整體Ra,已進行歸一化處理。兩組測試結果中，上橋臂各參數在試驗初期呈現緩慢增大趨勢，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。鍵合線的老化和結溫的升高都會導致△Uxn的增長。根據表1中測試結果，試驗初期模組在冷卻狀態下測試的△U并未發生變化，因此在試驗初期熱阻增大引起的結溫升高是導致△Um增長的主要原因。當鍵合線老化引起△Um增長時，由于導通電阻Rn具有正溫度系數，功率損耗會增大，導波動△T,△Um的增長速度加快。與表1Um測試結果N0下橋臂0模組上橋臂和下橋臂功率循環試驗前后的積分結構函數曲線如圖7所示，其分離點均出現在導熱硅脂-環境熱阻區域，結-殼熱阻區域曲線重合度較高，因此熱阻的增長是由導熱硅脂老化導致，而各個并聯單管的焊料層在功率循環試驗中并未發生老化，模組功率循環試驗前后結-殼熱阻及導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AQG-324標準中的失效標準，當導通壓ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouseAllri降的增量達到5%或者熱阻的增量達到20%時認為器件失效。在N=65007時，上橋臂導通壓降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。此處對已應用于電動汽車驅動器中的SiCMOSFET單管并聯模組進行功率循環試驗，通過結構函數法監測模組整體熱阻的變化并實現導熱硅脂老化程度的判斷。從試驗結果中得到結論：在功率循環試驗中，各并聯單管結-殼熱阻基本未發生變化，導熱硅脂的老化導致模組整體熱阻的增大，引起結溫波動△T)的升高，由于Rdm具有正溫度系數，正反饋機制的效應加速了鍵合線的老化速度，最終導致鍵合線先發生失效。模組下橋臂導熱硅脂老化速度更快的原因尚不明確，下一步將對導熱硅脂的失效機理進行深入研究，并提出模組結構的改進方法。參考文獻ofThresholdVoltageShifetinH[3]陳杰，鄧二平，趙子軒，等.不同老化試驗方法下SiCMOSFET失效機理分析[J].電工技術學報，2020,ofCurrentDensityInfluenceonRateinSiCMOSFETModulesIEEE