一种用于功率模块键合线退化评估的、不依赖结温的热电联合建模方法

《Electronics》：A Thermal–Electrical Co-Modeling Method for Bond Wire Degradation Assessment of Power Modules Independent of Junction Temperature Dan Li, Ruiting Ke, Jianfeng Tao, Shijie Wang and Chengliang Liu

　　

有效的功率模块在线键合线退化评估对于确保长期稳定性至关重要。然而，其电老化指示通常受到结温（T_j）的影响，而传统的T_j监测方法也受到老化过程本身的影响，从而产生矛盾。该论文提出了一种热电联合建模方法，旨在减少对精确T_j的依赖。该方法的一个主要挑战是传统的热网络模型依赖于外壳温度（T_c）。这些模型受到热耦合的影响且动态响应慢，难以与电模型集成。为克服这一问题，研究人员采用了一种基于原位传感器制造的T_j监测方法，以缩短热传导路径并简化热网络。该方法实现了更快的动态过程，且不受热耦合影响，这一点通过理论分析和有限元仿真得到证实。为验证所提方法，研究人员利用通态电压降（V_ce）进行了键合线退化评估。在实际电路中测试，该设计成功实现了不受T_j影响的在线键合线退化评估。

功率模块在绿色能源转换中发挥关键作用，超过50%的转换器故障源于功率开关器件，导致重大经济损失和安全隐患。器件故障分为瞬态失效和老化失效两类，老化失效涉及芯片相关老化（CRA，Chip-Related Aging）和封装相关老化（PRA，Package-Related Aging），其中键合线疲劳是PRA的关键问题。现有电老化指示（如通态电压降V_ce）通常受结温（T_j）影响，而传统的T_j监测方法（如温度敏感电参数（TSEP，Temperature-Sensitive Electrical Parameters）和热网络模型）也受老化过程影响，形成双重依赖，限制了实际应用。为此，研究人员提出一种热电联合建模方法，旨在降低对精确T_j的依赖；该方法通过集成热网络与电模型实现键合线退化评估，论文发表在《Electronics》。

研究人员采用以下关键技术方法：首先，基于原位传感器制造方法在线监测T_j，在直接覆铜（DBC，Direct Bond Copper）板的上铜层与芯片焊接层之间直接制造铂（Pt，Platinum）电阻温度传感器，采用等离子体增强化学气相沉积（PECVD，Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition）制备氮化硅（Si₃N₄）绝缘层，厚度仅3-4 μm；热响应时间约25 ms，线性度拟合优度R²为0.9986。其次，基于热扩散角构建考虑热耦合的Cauer热网络模型，通过有限元（FE，Finite Element）仿真校准参数，分析测量点温度差ΔT_p（即T_j与传感器测量点温度T_p之差）的动态与稳态特性。最后，将简化热模型T_j = T_p + P·(R₁₁+R₁₂)与IGBT通态电压模型耦合，利用最小二乘法（LSM，Least Squares Method）在线估计与键合线老化相关的总封装电阻R_p。实验使用onsemi（Scottsdale, AZ, USA）的PCGA200T65NF8 IGBT芯片和Cloudchild Technology（重庆，中国）的CCFW38A75SA FRD芯片搭建测试电路，通过逐根切断键合线模拟退化。

研究结果如下：
**第2节 基于原位传感器制造的功率模块在线结温监测**
通过理论分析和有限元仿真验证，所制传感器位于DBC上铜层与芯片焊接层之间，显著缩短热传导路径；绝缘层Si₃N₄的接触热阻和固有热阻均可忽略，铂热敏电阻呈良好线性且长期稳定性优异（年漂移在毫开尔文范围内），动态响应时间约25 ms，证实该传感器适用于快速、准确的T_j监测。
**第3节 简化热建模与所提方法**
**3.1 考虑热耦合的温度差模型分析**
采用考虑热扩散角的Cauer网络模型，推导出ΔT_pj - T_p的表达式。分析表明，ΔT_p的动态分量衰减比T_j本身更快，其稳态值仅取决于芯片热阻和焊接层热阻（R₁₁+R₁₂）与热损耗P₁的乘积，不受多芯片热耦合影响；物理上，测量点位于焊接层，热扩散角需接近90°才产生耦合，实际几乎不可能。
**3.2 有限元仿真验证简化热模型**
建立双芯片功率模块FE模型，对比单芯片与双芯片配置下ΔT_p和ΔT_c（壳温差）的差异。仿真结果显示，ΔT_p在两种配置下差异极小、响应极快，而ΔT_c受热耦合影响显著且响应慢。不同焊接层导热系数下的测试表明，虽然ΔT_p稳态值随老化变化，但响应时间始终极短且几乎不变，证实简化热模型的稳健性。
**3.3 在线键合线退化评估方法**
基于ΔT_p的快速动态和弱热耦合特性，提出简化热模型T_j = T_p + P·(R₁₁+R₁₂)，并应用于电参数建模。以通态电压V_ce为例，将其与T_j、监控信号（如电流i_c、T_p）关联，得到电热联合模型；采用LSM估计老化相关参数R_p（包含键合线电阻）。该方法适用于低开关频率条件（传导损耗为主），通过短时数据采集实现在线评估。
**第4节 实验验证**
**4.1 基于V_ce的键合线退化评估**
推导V_ce的表达式，将其分解为芯片导通压降V_chip（含温度系数a、b）和封装压降i_c·R_package。R_package包括焊接层、上铜层、焊点和键合线电阻，其中键合线电阻R_BW为老化主因。结合简化热模型，得到V_ce关于i_c、T_p和待估参数（V₀, R_p, a, b, R_th）的非线性方程，通过多组测量数据（N组V_ce, i_c, T_p）最小化估计误差。
**4.2 实验装置与结果**
搭建连续导通测试电路，采集不同i_c下V_ce和T_p数据。将数据分为T_p在30-75°C、75-120°C和30-120°C三组，分别估计R_p。实验表明，随切断键合线数量增加，R_p明显增大；三组数据估计的R_p差异可忽略，证明所提方法成功消除了V_ce对T_j的依赖。

总结讨论：该研究提出的基于原位传感器制造的热电联合建模方法，通过缩短热传导路径和简化热网络，克服了传统基于壳温（T_c）的热网络模型受热耦合和慢动态响应的限制，为键合线退化评估提供了不依赖精确T_j的解决方案。实验在单个原型模块上完成，属于初步概念验证，未来需在更多功率模块上测试以确认普适性。

研究结论翻译如下：功率模块的键合线退化评估对于降低故障率、提高可靠性至关重要。然而，大多数老化指示受限于无法获得精确结温（T_j），且传统T_j监测方法也受模块老化影响。为解决这一矛盾，本研究提出一种集成热模型和电模型的键合线退化评估方法，消除了对T_j的依赖。然而，传统基于外壳温度（T_c）的热网络模型估计T_j时无法忽略动态过程，且考虑多芯片热耦合后模型极其复杂，难以集成。本研究采用基于原位传感器制造的在线T_j监测技术，缩短热传导路径，降低热网络复杂度。通过有限元（FE）仿真分析并验证了测量点温度差ΔT_p的动态响应和稳态行为。结果表明，ΔT_p的动态响应可忽略，其稳态值不受热耦合影响，为所提方法提供了理论基础。利用IGBT的通态电压（V_ce）进一步验证该方法，实验结果显示出高性能。本研究的局限性在于仅对一台原型功率模块进行了验证，应视为初步的概念验证，在更广泛的功率模块上进行测试将是未来工作的重要组成部分。