一种适用于IGBT模块的、对运行条件不敏感的桥级键合线抬升监测方法

《Microelectronics Reliability》：A bridge-level bond wire lift-off monitoring method for IGBT modules insensitive to operation conditions

　　

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  本文提出了一种基于新型参数BWT和BWB的桥臂级监测方法。
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  BWT和BWB是分别从上下桥臂IGBT的Kelvin发射极电压中联合提取的。
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  所提方法不受直流母线电压、负载电流和结温的影响。
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  无需额外的测量单元即可实现IGBT模块的桥臂级键合丝脱落监测。

引言

IGBT模块是实现电力电子系统中高效电能转换的关键器件，广泛应用于高压直流输电、可再生能源和轨道交通等领域[1]、[2]、[3]。工业调查显示，功率器件是电力电子变换器中最薄弱的环节，占全部故障的30%以上[4]、[5]。因此，IGBT模块在极端和复杂工况下的可靠性引起了广泛关注。

键合线焊接是目前IGBT模块中将内部芯片与外部端子连接起来最流行的封装技术[6]。然而，长期的复杂工况往往会导致键合线退化。例如，电迁移引起的原子移动以及相邻材料间热膨胀失配导致的铝层重构，最终会导致键合线开裂和脱落[7]、[8]。统计表明，键合线脱落占IGBT模块总故障的70%[9]。因此，对键合线健康状态进行条件监测对于IGBT模块的可靠性至关重要。

现有监测方法可分为基于磁特性的方法和基于健康敏感电参数的方法。基于磁特性的方法需要特定的传感器并且在模块内部进行侵入式测量[10]、[11]，这增加了监测成本并干扰了模块的正常运行。相反，基于健康敏感电参数的方法通过外部信号监测键合线退化[12]。由于这类方法能够提供快速响应，正在快速发展中。

基于健康敏感电参数的方法可分为功率回路参数方法和栅极回路参数方法。关于功率回路方法，文献[13]利用通态压降V_CE(on)，该参数对早期键合线脱落灵敏度有限，且依赖于负载电流。文献[14]采用串扰期间的集电极电压下冲V_CA(np)，该参数具有较好的灵敏度，但会受到直流母线电压、负载电流和结温的影响。此外，测量V_CE(on)和V_CA(np)需要高压隔离，这增加了监测成本。文献[15]探索了使用短路电流I_SC的方法，但这对系统安全性不利，因为它可能加速模块老化。相比之下，栅极回路方法不需要高压隔离。文献[16]利用米勒平台持续时间t_GP，该参数受直流母线电压、负载电流和结温的影响，且对早期键合线脱落灵敏度较低。文献[17]提出使用米勒平台前的开通栅极电压过冲V_{g_p}来监测键合线脱落，该方法具有较好的灵敏度且测量简单，但V_{g_p}受直流母线电压、负载电流和结温的影响。文献[18]引入了关断栅极电压谷值V_gev，该参数对工况具有较强的抗干扰能力。然而，键合线脱落仅在V_gev中引起几十毫伏的变化，且驱动回路引入的寄生电感影响了该方法的监测精度。

综上所述，本文提出了一种基于上下桥臂IGBT各自的键合线脱落特征参数BWT和BWB的桥臂级键合线脱落监测方法。其原理是分别从上下桥臂IGBT的Kelvin发射极支路中提取健康敏感电参数V_{eE_T}和V_{eE_B}，从而获得BWT和BWB。该方法具有以下优势：

• 1)
  非侵入性：不需要在模块内部添加额外的传感器，且不干扰正常运行。
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  安全且成本低：所提方法不需要高压隔离，既保证了安全性又降低了监测成本。
• 3)
  鲁棒性：能够有效监测上下桥臂IGBT的键合线脱落，且独立于直流母线电压、负载电流和结温，对复杂工况具有较强的抗干扰能力。
• 4)
  简洁性：仅使用Kelvin发射极电压信号，即可通过所提的BWT和BWB获得上下桥臂IGBT中键合线的健康状态。

本文其余部分安排如下。第2节建立了电-热-力多物理场耦合模型，分析了键合线的失效机理。第3节基于关断瞬态特性对V_{eE_T}和V_{eE_B}进行了理论分析，并提出了对运行工况不敏感的新型键合线脱落特征参数BWT和BWB。第4节通过双脉冲测试平台验证了所提桥臂级键合线脱落监测方法的可行性。第5节讨论了未来变换器应用中可能的测量时序，将所提方法与现有方案进行了对比，并进一步讨论了其在多芯片IGBT模块中的适用性。第6节总结了全文。

章节摘要

IGBT模块的多物理场仿真分析

图1展示了典型IGBT模块的截面结构。相邻材料层之间存在热膨胀系数的不匹配。本节建立了IGBT模块的电-热-力多物理场耦合有限元模型。建模过程包括六个步骤。步骤1：使用三维产品开发系统建立IGBT模块的三维模型。步骤2：将模型导入多物理场仿真软件以定义材料

关断瞬态过程中的_{VeE_T和VeE_B}

针对MG100HF12TFC1 IGBT模块建立了双脉冲测试电路模型，如图7所示。在该电路中，Q_T和Q_B分别代表上桥臂和下桥臂IGBT。L_CT(B)和L_ET(B)分别表示相对于上层铜层的集电极和发射极端子的寄生电感。L_BW1(2)表示所有功率键合线的总寄生电感，L_e1(2)表示Kelvin发射极端子的寄生电感。R_gext为外部栅极

实验验证

本节利用双脉冲测试实验平台验证了所提BWT和BWB用于桥臂级键合线脱落监测的可行性，然后研究了工况对BWT和BWB的影响。

未来变换器应用中的测量时序

对于所提方法在未来三相变换器中的应用，需要根据上下桥臂IGBT的开关状态确定BWT和BWB的测量时刻。图19展示了典型的三相逆变器电路。三个输出相分别标记为A相、B相和C相。以A相为例，Q₁和Q₄分别代表上桥臂和下桥臂IGBT。Q₁和Q₄的可能测量时序如图20所示。

该

结论

本文提出了一种基于新型键合线脱落特征参数BWT和BWB的桥臂级监测方法。理论分析和实验结果证实了该方法的可行性。主要结论如下：

• 1)
  健康敏感电参数V_{eE_T}和V_{eE_B}分别从上下桥臂IGBT的Kelvin发射极支路中提取，从而获得BWT和BWB。测量过程避免了高压隔离，保证了安全性

作者贡献声明（CRediT）

杜明星：概念设计、初稿撰写、资源提供、资金获取。汤楚栋：研究方法、初稿撰写、软件开发。张芝武：形式分析、监督指导、调查研究。尹金良：审稿与编辑、资源提供、监督指导、项目管理。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本工作部分得到了天津市自然科学基金重点项目（24JCZDJC00690）和天津市优秀企业科技特派员项目（25YDTPJC00480）的资助。

杜明星|汤楚栋|张芝武|尹金良