功率半导体和模块 应用所需：通过 IGBT 模块的 优化连接技术延长混合动力客 车逆变器的寿命 作者：Wilhelm Rusche，工程学硕士（FH），英飞凌科技股份有限公司 Martin Helsper 博士，西门子股份有限公司 Niklas Rüger 博士，西门子股份有限公司 Sandra Krasel，物理学硕士，英飞凌科技股份有限公司 Yilmaz Koray，理科硕士，英飞凌科技股份有限公司 Niels Oeschler博士，英飞凌科技股份有限公司 本文介绍的研究目标在于寻找合适的解决方案以提高功率模块 上焊接系统的耐用性/可靠性，并在现有的设计上予以实现。 通过加速的可靠性试验，如被动热循环（TC）和热冲击试验 （TST）来评估改进的焊接连接的可靠性。文中将展示因施加 的负载不同而导致的焊接层老化情况差异，以及对失效机理的 影响。通过分析声学扫描显微镜（SAM）图像进行结果对比。 研究的重点在于可靠性以及元件中采用的改进接合技术在延长 混合动力客车的逆变器的系统寿命方面的作用。寿命的计算基 于真实的牵引循环，测量对象为带有液体冷却系统的串联式混 合动力驱动的城市客车的逆变器。 简介 串联式混合动力驱动的城市客车 电力推进系统将显著降低燃料消耗和 CO2 排放。基本的拓扑结构和此类系 统的主要部件如图 1 所示[1]。 相较于乘用车，客车对额定功率 要求更高，从而需求更高的直流母线 电压。通常情况下，此类应用中采用 改进型工业 1200V IGBT 功率模块和 附加的工业元件。在此应用中，逆变 46 图1：串联式混合动力驱动的基本拓扑结构 WWW.POWERSYSTEMSDESIGNCHINA.COM 功率系统设计 POWER SYSTEM DESIGN CHINA 2014 年 5/6 月 底的基础材料为基于氧化铝（Al2O3）的陶瓷，其两面会 进行金属化。铜是现在进行金属化最通用的材料（DCB 衬底）。对于标准工业模块，DCB 衬底通过无铅焊接工 艺焊接至厚度为 3 毫米的铜基板。这些热传导层皆具有瞬 态和稳态热阻抗的特性。基板同时也在水平轴上具有热传 导作用。使用 FEM 模拟（有限元模拟）计算带有基板和 不带基板的功率模块的主动散热面积。对比结果如图 4 所 示。带有基板的模块由于增大了散热面积，具备更好的散 热性能。 1. 功率模块上的功率循环和热循环效应 图2：城市客车牵引工况示例 带基板的模块不仅具有更大的散热面积，而且还对 最终结温具有巨大的影响，对于结温波动 ∆Tj 影响更大。 两者均对芯片焊接和芯片顶部的铝键合线的热机械应变有 影响 [5]。带基板和不带基板的功率模块的模拟结温（Tj） 对比如图 5 所示。动态负载循环结果显示带有基板的模块 结温摆动幅度明显较低。 由于键合线的功率循环（PC）失效机理与结温摆动 图3：功率模块的一般结构 ∆Tj 直接相关，为了减少结温波动，建议采用带基板的模 [3] 和 [4]。此外，本文中讨论英飞凌的 器产生的 IGBT 模块功率损耗是混合动力城市客车负载型 块。详细结果论述见 态的结果。图 1 中的箭头表示取决于客车运行工况的能量 基于1200V IGBT4的功率模块已被认为具备一流的技术和 流。若客车处于正常工况中，能量从柴油发动机开始，通 一流的功率循环性能 [6, 7]。 过整流器、逆变器和电气机械（AM）流向车轮。若客车 基于前文阐释的带基板模块功率循环可靠性结果 处于加速中，储能装置支持驱动，然后放电。在刹车情况 的优点，DCB 与铜基板之间焊料层就理所当然的成为下 下，能量通过逆变器和斩波器流入储能装置。 一个进行改善的目标。焊接材料具有不同的热膨胀系数 以下研究重点放在逆变器上。在驾驶或加速情况 （CTE）。应用中产生的温度变化和不同的 CTE 导致这个 下，逆变器中的能量主要由 流过IGBT。若客车正在刹 连接的热负载。该负载导致DCB 焊料层内部产生热机械 车，能量将主要流过逆变器的续流二极管（FWD）。12 应变。由周期性应变引起的焊料疲劳将最终导致焊料内部 [1] 米长城市客车的工况示例见图 2 。 在给定负载和模块运行条件下且逆变器处于工作中 [2] 时，可以如 所述从功率半导体接合层的老化效应来估计 裂纹扩散 [8]。模块在高动态负载下的承受能力取决于这些 半导体模块中连接层的耐用性。 2. 改进型功率模块 其寿命。然而，在城市客车的日常运行中，逆变器尤其是 耐用性需求的日 逆变器的功率电子元件必须承受极高的电气、机械负载和 益提高推动了更耐用的 巨大的热负载。进而言之，所有的设备必须能够无故障 工业 IGBT 模块接合技 运行 60,000 小时才能实现商用车辆（CAV）的经济性要 术的发展，以满足商用 求。其要求远高于乘用车应用。 混合动力城市客车应用 的技术和经济性要求。 功率模块 基于现有的用于混合 功率元件的长期可靠性，即其寿命通常通过芯片热应 力和外壳温度进行定义。如 [3, 4] 中发表所述，这两个温度是 由工况和芯片与冷却系统之间的热传递共同决定的结果。 IGBT 功率模块是逆变器功率电子的核心元件。功率 模块的一般结构如图 3所示。 芯片、IGBT 和续流二极管（FWD）焊接于衬底。衬 动力客车的逆变器设 计 Elfa ® 2 [1] ，本文选择 EconoDUAL TM 3 封装作 进一步研究以改进 DCB 系统焊接。该试件采用 图4：带基板和不带基板的功率 改进型 DCB 焊接。这一 模块散热模拟结果 WWW.POWERSYSTEMSDESIGNCHINA.COM 47 功率半导体和模块 实验箱内放置 1 小时，温度上限为 T max=125℃。被测元 件随后被送回第一个实验箱并放置相同时间。T min 加上 T max （2 小时）所得的总持续时间即为一个 TST 循环。 在本次热冲击试验中，元件必须承受巨大的温差—— ∆T=165K。标准工业中等功率元件的循环次数为 N cyc=50 次。若电气参数和结到元件外壳的热传导性能保持在试 验规范的限值之内，则证明功率元件通过了试验。 3.热冲击试验结果 在第一步中，根据英飞凌的汽车认证标准，对带有 改进的系统焊接的原型的试验次数达到 Ncyc=1000 次，并 在 500 次循环后进行一次中间读数。试件、系统和芯片 焊接层在循环次数为 Ncyc=0，Ncyc=500 和 Ncyc=1000 次时 的 SAM 图像如图 7 所示。在这些 SAM 图像中，几乎看不 出分层。此外，模块的塑料外壳及其注模金属部件在承受 图5：带基板和不带基板的功率模块的模拟 IGBT 结温 巨大的热应力之后未发现任何损坏。所有的电气参数，尤 其是结到外壳的热传导性能均处于试验规范的限值之内。 因此，这些原型通过了 TST 试验，循环次数为Ncyc=1000 次。 图6：EconoDUAL™ 3 的典型外 观 全新的接合技术可认为是对英飞凌即将推出的 .XT 接合技 术的选择性提取 [10] 。为进一步研究而选择的此封装的典 型外观如图 6 所示。 基于这些非常具有前景的结果，TST 持续进行至循 环次数为 Ncyc=2000 次，并分别在循环次数为 Ncyc=1500， Ncyc =1750 和 Ncyc =2000 次时读取，研究重点在于改进的 DCB 焊料层的分层现象。图 8 显示 DCB 焊接在循环次数 为 Ncyc=1000 和 Ncyc=2000 次时的图像。当循环次数持续 进行到 2000 次时，两个 DCB 之间和 DCB 的边角 [8]出现 试验配置和结果 在评估 DCB 系统焊接可靠性时，常用的方法是进行 加速试验。加速因子用于将试验时间和试验条件转换为 了轻微的分层，在图 8 中以圆圈包括显示。但是由于分层 极小，不会影响芯片到壳的热传导能力。 2.热循环试验 目标运行条件下的等效运行时间。加速试验中最重要的 其他原型通过被动热循环试验（TC）进行研究。 方面是失效机理在加速试验中不能变化。被动热冲击试验 在此研究中，试验持续进行直至被测元件寿命终结 （TST）根据 IEC60068-2-14 进行，被动热循环（TC）试 （EOL）。DCB 焊接的寿命估算可通过 EOL 结果和实际 验根据英飞凌用于产品检验的 QRP，选择这两个试验目 应用的工况进行推断。 的是评估DCB 系统焊接的疲劳。通过应用不同的时间间 TC 试验在被动外部加热和外部冷却装置中进行。 隔（∆t）和不同的温度变化(∆T），两个试验均引起被测 在此被动装置下，被测元件安装于一个加热/冷却板 元件（DUT）的焊料层热机械应变。 1. 热冲击试验 热冲击试验是一种引起热机械应变的快速试验， 不仅用于 DCB 焊料层，也用于功率半导体模块的所有 元件。使用带有不同温度的两个实验箱。模块放置于两 个实验箱中并达到明确规定的时间，目的是确保温度达 到稳定状态。将被测元件放置于第一个实验箱中，温度 下限值为 T min=–40℃，典型存放时间为 t storage=1 小时。 经过此时间后，元件通过一个升降系统转移至第二个 实验箱，转移时间为 t transport<30 秒。被测元件在第二个 48 WWW.POWERSYSTEMSDESIGNCHINA.COM 图7：TST 循环次数达到以下值时的 DCB 原型焊接 SAM 图 像：Ncyc= 0，Ncyc= 500 和 Ncyc= 1000 次 功率系统设计 POWER SYSTEM DESIGN CHINA 2014 年 5/6 月 图8：TST 循环次数达到以下值 时的 DCB 原型焊接 SAM 图像： Ncyc=1000 和 Ncyc= 2000 次。 上，热负载通过这一外部 板从基板均匀地引导至系 统焊料。对基板均匀施加 的温度循环从 T c_min =25℃ 开始，以 ∆Tc=80K 为梯度，逐渐升高至 T c_max=105℃。 该装置可冷却至 T c_min =25℃。完整循环时间约为 t cyc =6 分钟。若电气参数和结与元件外壳之间的热传导性能保 持在试验规范的限值之内，则证明功率元件通过了试 验。芯片和 DCB 焊料层的 SAM 图像如图 9 所示。第一 图10：标准 EconoDUALTM 3 模块的热循环性能 批 SAM 图像显示的是循环次数为 N cyc=0 次时的初始状 态；每经过 N cyc=5000 次循环便读取一次，最后显示的 是循环次数达到 N cyc =40000 次的图像。此检查涵盖焊 料层、芯片和 DCB，但重点在于改进型 DCB 焊接层的 分层。 DCB 焊接层的分层从 DCB 边缘开始。但是，在循环 次数为 N cyc =25000 次之前，分层并未达到芯片。25000 次循环后，分层才到达芯片的边缘——甚至在 30000 次 循环之后，芯片下的分层面积仍可忽略不计。分层面积随 着循环次数的增加而增大。40000 次循环后的结果检查 显示，系统焊料和芯片焊料层的分层面积总和会对结与外 壳之间的热传导性能产生影响。基于试验规范，分层面 积总和达到了元件的 EOL。模块达到其 EOL 时，试验停 图11：基于逆变器运行条件下的一个循环所计算的温度 止。最终，原型通过了循环次数达到 Ncyc= 30000 次的被 动热循环试验。此外，研究了 30000 次循环后的结壳热 3 的主动热循环性能为 Tc_min = 25℃ 时 Ncyc = 12000 次， 阻 Rthjc，目的是确定芯片区域下方分层的影响。结果非常 [9] ∆Tc=80K，如图 10 所示 。 如图所示，带有改进的系统焊接的模块被动 TC 可靠 好，所有值均在规定限值之内。 由于温度均匀地引导至整个基板区域，被动 TC 的 热机械应力水平高 性具有明显提升。 对于改进的功率模块，作为第一个保守假设，在 于主动 TC（主动 TC Ncyc=30000 次，∆Tcase=80K 时的第一个 TC 循环改进结果用 与 PC 试验具有可比 于线性近似，从而可与图 10 中给出的标准 DCB 焊接在完 性，但仅限于分钟级 整的 ∆Tcase 范围内进行对比，以此进行寿命估算和对比。 的循环时间下），因 为在主动TC下温度 在实现新焊料接合技术后，英飞凌将发布一个最终 的延长热循环（TC）规范。 是局部的在芯片周 围进行升高。标准 寿命估算 工业 EconoDUAL™ 运行逆变器的要求为 15 年内 60,000 小时，即约等 图9：TST 循环次数达到 以下值时的 DCB 原型 焊接 SAM 图像：Ncyc= 0 次，每隔 Ncyc= 5000 次， Ncyc= 40000 次 于每天运行 11 小时。此运行时间内的车辆行驶距离为 1,000,000 公里 [1]。 为获得如图 1 所示的逆变器的实际寿命估算，以下 寿命估算基于串联式混合动力客车实际应用中采集的的负 WWW.POWERSYSTEMSDESIGNCHINA.COM 49 功率半导体和模块 结论与展望 本文提出了一种新的解决方案以增加 DCB 至基板 连接的耐用性。通过加速的可靠性试验，如被动热循环 （TC）和热冲击试验（TST）等来评估改进的焊料连接的 可靠性。通过使用不同的焊料和相关工艺，试验过程中焊 料层中产生的裂纹显著减少。 寿命估算结果显示寿命可延长两倍以上。对于现有 的逆变器设计，改进型 DCB 焊料在符合城市客车混合动 力驱动的全面要求方面具有显著优势。 基于所论述的改进，这种高可靠性的焊接将作为更 高的标准在 EconoDUALTM 3 功率模块中实现，以用于寿命 要求更高的商用车辆应用。 这一全新的接合技术可认为是对英飞凌即将推出的 图11：基于逆变器运行条件下的一个循环所计算的温度 表 1 标准 EconoDUAL™ 3 中的 DCB 焊料寿命的近似值 表2：改进的 EconoDUAL™ 3 中 DCB 焊料寿命的近似值 每日运行时长 1.35 可达寿命年限 67 6 11 每日运行时长 1.35 11 15 14.9 8.4 可达寿命年限 167.5 20.9 15.2 载循环进行。 通常，在牵引的工况下，IGBT比同一模块中的续流 二极管承受的应力更大。因此，寿命估算重点在于逆变器 处于正常运行条件下 IGBT 的 DCB 焊接方面。 此真实采集的工况的行程持续时间为 t driving =4800 秒。功率元件和焊料层的结果温度基于逆变器的运行条件 .XT 接合技术的选择性提取 [10]。 另外，全新的 EconoDUALTM 3 将根据英飞凌 IGBT 模 块的汽车标准进行认证。 www.infineon.com 参考资料 [1] [2] [3] Dr. Christmann, André; Dr. Mainka, Krzysztof: fac- ing high thermal loads on power modules in hybrid electrical vehicles; PCIM; Nuremberg, May 2010 [4] 温度进行分离和读数，如图 11 所示。DCB焊料层的温度 Munich, 2009 [5] 焊料寿命如表 1 所示。标准模块的寿命估算结果显示，此 模块用于已测量的牵引循环时，每天运行 11 小时，可持 Nuremberg, March 2008 [6] [7] Bodo s Power Systems; June 2007 [8] 求。每天运行 11 小时，可持续运行接近 21 年。即使每天 运行小时数增加至 15 小时，也可达到 15 年的寿命目标。 因此，通过采用新颖的焊料和相关的工艺来替代传 统的焊料技术可将模块的寿命增加至两倍以上。 50 WWW.POWERSYSTEMSDESIGNCHINA.COM Dr. Guth, Karsten; Mahnke, Peter: Improving the thermal cycling capability of Cu baseplate modules; CIPS; Naples, June 改进的 EconoDUAL™ 3 模块在焊料连接耐用性方面 所示。带有改进的焊接系统的模块符合 60,000 小时的要 Rusche, Wilhelm; Bäßler, Marco: 1200V IGBT4 Low and Medium Power – Chips designed to the needs of the application; 用中，必须通过降额来保证寿命。但是这些措施会对变频 具有显著的提高。其寿命取决每天的运行小时数，如表 2 Infineon Technologies AG – Application Note: AN2010-02 Use of Power Cycling Curves for IGBT4 续运行 8.4 年。与要求相比，这是有限制的。在真实的应 器是有负面影响的。 Dr. Bayerer, Reinhold; et al.: Model for Power Cycl- ing lifetime of IGBT Modules – various factors in- fluencing lifetime; CIPS; 波动(∆Tsolder）结果显示于图 12。 对于 EconoDUALTM 3，与 TC 性能相结合，估算的 Luniewski, Piotr: System and Power Module Re- quirements for Commercial, Construction & Agri- culture Vehicles; ECPE; 焊接温度（Tsolder）是一个时间函数 T=f(t），如图 11 所示。 对于 EconoDUAL™ 3 采用雨流算法对已计算所得的 Dr. Mainka, Krzysztof: Step by step methodology of device lifetime based on mission profile; ECPE; Dusseldorf, July 2013 进行计算。 IGBT结温（TjIGBT），FWD 结温（Tjdiode）和 DCB 系统 Dr. Helsper, Martin; Brendel, Bernd: Challenges for IGBT Modules in Hybrid Buses; EPE, Barcelona, 2009 2006 [9] Infineon Technologies Reliability Specification: Thermal Cycling（TC）Capability for Industrial modules（CU baseplates）rev.2, February 2012 [10] Dr. Guth, Karsten; et al.: New assembly and inter- connects beyond sintering methods; PCIM; Nurem- berg, May 2010