IGBT可靠性测试方法
IGBT模块：技术、驱动和应用课件：质量与可靠性
测试项目
型式试验
常规试验
测试项目
型式试验
常规试验
集-射极电压Uce*sus
×
集-射极饱和电压UCEsat
×
×
集-射极电压UCES
×
×
集-射极漏电流ICES
×
栅-射极电压±UGES
×
输入电容Cies
×
*
DCB：系统焊层的分离，总是从DCB的角落开始。避免在DCB的四角产生直角可以提高系统焊接层的负载周次能力 插入凹纹：在DCB的覆铜层边缘引入特定的压痕来防止覆铜层的脱落，从而提高自身的负载周次能力。
提高负载周次能力的措施
IGBT Modules– Technologies, Driver and Application
IGBT Modules– Technologies, Driver and Application
铜绑定线
采用铜键合工艺同时采用铜作为芯片表面金属覆层。
*
给定负载循环300s，据此计算损耗及计算相应的散热器温度、底板温度和结温。
寿命计算
IGBT Modules– Technologies, Driver and Application
-25
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
25
30
每年的天数
5
10
10
20
25
30
45
50
50
50
35
35
每天的负载周次
2
2
igbt标准
igbt标准IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）是一种半导体功率开关器件，具有结构简单、性能稳定、耐压能力强等特点，被广泛应用于电力电子领域。
IGBT标准是指IGBT器件的相关标准规范，包括其性能参数、测试方法、质量要求等内容。
本文将对IGBT标准进行详细介绍，以便读者更全面地了解IGBT器件的相关知识。
首先，IGBT标准主要包括以下几个方面，性能参数、测试方法、质量要求和标志标识。
性能参数是衡量IGBT器件性能优劣的重要指标，包括导通压降、关断压降、最大耐压、最大电流等。
测试方法是指对IGBT器件性能参数进行测试的具体方法和步骤，确保测试结果准确可靠。
质量要求是指IGBT器件在生产和使用过程中应符合的质量标准，包括外观质量、封装质量、可靠性要求等。
标志标识是指IGBT器件在生产和销售过程中应标注的相关标志和标识，以便用户正确选择和使用。
其次，IGBT标准的制定和实施对于推动IGBT器件的技术进步和产业发展具有重要意义。
通过制定统一的标准规范，可以促进不同厂家生产的IGBT器件在性能参数、质量要求和标志标识等方面达到一致，提高产品的可比性和可替代性。
同时，标准的实施可以规范市场秩序，保护用户利益，提高产品的质量和可靠性，推动整个行业向更高水平发展。
再次，IGBT标准的制定需要充分考虑IGBT器件的实际应用需求和技术发展趋势。
随着电力电子技术的不断发展，IGBT器件在各个领域的应用越来越广泛，对性能参数、质量要求和标志标识等方面的要求也越来越高。
因此，在制定IGBT标准时，需要充分调研市场需求，倾听用户意见，结合最新的技术发展趋势，确保标准规范符合实际应用需求，具有可操作性和前瞻性。
最后，IGBT标准的制定和实施需要各方共同参与和配合。
作为IGBT器件的生产厂家，应加强内部管理，提高产品质量，确保符合标准要求。
作为IGBT器件的用户，应加强对标准的学习和应用，提高对产品质量的监督和检测能力。
IGBT模块测量与判断
IGBT模块测量与判断简介IGBT模块是现代电力电子技术中的重要器件，主要用于变频器、逆变器、交直流混合电源等电力设备中。
在实际运用中，IGBT模块的电性能、热性能和可靠性往往是影响整个电力设备工作性能的关键因素之一。
因此，IGBT模块的测量和判断非常重要。
本文将介绍IGBT模块测量方法和判断方法，帮助读者更好地了解和使用IGBT 模块。
IGBT模块测量方法1. DC电阻测量DC电阻测量是IGBT模块测试中最常见的方法之一。
通过测量IGBT模块正负级之间发生通断的DC电阻来判断器件的状态。
测量步骤：1.将万用表调整到DC电阻档位。
2.将正负级之间的引脚测量，分别记录正负极间电阻。
3.将正负级引脚交换后再次测量，记录正负极间电阻。
4.比较两次测量结果，如果读数相同，则IGBT模块正负级之间没有短路。
如果读数大幅变化，则IGBT模块正负级之间可能存在短路。
2. 电压测量电压测量是IGBT模块测试中常用的方法之一，测量IGBT模块正负级引脚是否有电压，以判断器件的状态。
测量步骤：1.将万用表调整到电压档位。
2.将正负级之间的引脚测量，分别记录正负级之间的电压。
3.如果读数为0，则正负级之间没有电压，说明IGBT模块正负级之间不存在导通问题。
3. 电流测量电流测量是IGBT模块测试中比较常用的方法之一，测量IGBT模块负载电流是否正常，以判断器件的状态。
测量步骤：1.将万用表调整到电流档位。
2.将正负级之间连接负载，分别记录正负级引脚的电流。
3.如果读数过大或过小，则说明IGBT模块存在问题。
IGBT模块判断方法1. 观察外观首先，可以通过观察IGBT模块的外观，判断器件是否受损或破碎。
如果IGBT 模块外观有破损、变形、划痕等，说明器件可能存在损伤，需要进一步检查。
2. 测量IGBT模块正负级引脚间电阻通过DC电阻测量方法，可以判断IGBT模块正负级之间的通断（正常应该读数接近无穷大，如果出现很小的电阻值，表示器件存在短路现象）。
IGBT测试方法
IGBT测量l 、判断极性首先将万用表拨在R×1K 。
挡，用万用表测量时，若某一极与其它两极阻值为无穷大，调换表笔后该极与其它两极的阻值仍为无穷大，则判断此极为栅极（G ）。
其余两极再用万用表测量，若测得阻值为无穷大，调换表笔后测量阻值较小。
在测量阻值较小的一次中，则判断红表笔接的为集电极（C ) ：黑表笔接的为发射极（E ）。
2 、判断好坏将万用表拨在R×10KQ 档，用黑表笔接IGBT 的集电极（C ) ，红表笔接IGBT 的发时极( E ) ，此时万用表的指针在零位。
用手指同时触及一下栅极（G ）和集电极（C ) ，这时工GBT 被触发导通，万用表的指针摆向阻值较小的方向，并能站们指示在某一位置。
然后再用手指同时触及一下栅极（G ）和发射极（E ) ，这时IGBT 被阻断，万用表的指针回零。
此时即可判断IGBT 是好的。
3 、注意事项任何指针式万用表铃可用于检测IGBT 。
注意判断IGBT 好坏时，一定要将万用表拨在R×IOK挡，因R×IKQ 档以下各档万用表内部电池电压太低，检测好坏时不能使IGBT 导通，而无法判断IGBT 的好坏。
此方法同样也可以用护检测功率场效应晶体管( P 一MOSFET ）的好坏。
粗测IGBT放大性能可以用下面方法用指针万用表X10挡，像用筷子的方法持表棒。
黑表棒接C，红表棒接E，左手两手指同时触碰G-E两极。
万用表指示为无穷大，说明IGBT截止正常，手指离开能保持读数为正常，然后再同时触碰G-C两极，万用表向阻值小的方向偏摆，摆幅大好，手指离开度数能保持的为正常，如果不能保持的就是坏的如果手指太干燥，可以搞点口水弄湿润会爽些，呵呵PNP型的反接表棒，方法一样.MOS管也可以类似方法测量的快捷测量用指针万用表简单的测量,先直接量一下C,E间是否导通,在C,E,E,C都通,既坏的.在CE,不通的情况下,进行下步骤.先在IGBT的G脚和E脚加正向电压,{即万用表打在×10挡,黑表笔接G,红表笔接E},只要稍微接通一下,然后量C,E间的导通电阻,很小,再在G,E间加反向电压(红表笔接G,黑表笔接E),然后量C,E间的导通电阻,无穷大.这样就是好的.检测IGBT模块的的办法以两单元为例:用模拟万用表测量静态测量:把万用表放在乘100档,测量黑表笔接1端子、红表笔接2端子,显示电阻应为无穷大;表笔对调,显示电阻应在400欧左右.用同样的方法,测量黑表笔接3端子、红表笔接1端子, 显示电阻应为无穷大;表笔对调,显示电阻应在400欧左右.若符合上述情况表明此IGBT的两个单元没有明显的故障. 动态测试: 把万用表的档位放在乘10K档,用黑表笔接4端子,红表笔接5端子,此时黑表笔接3端子红表笔接1端子, 此时电阻应为300-400殴,把表笔对调也有大约300-400殴的电阻表明此IGBT单元是完好的. 用同样的方法测试1、2端子间的IGBT,若符合上述的情况表明该IGBT也是完好的.将万用表拨在R×10KΩ挡，用黑表笔接IGBT 的漏极（D），红表笔接IGBT 的源极（S），此时万用表的指针指在无穷处。
IGBT模块应用中的寿命和可靠性
IGBT模块应用中的寿命和可靠性系统寿命与可靠性关系：可靠性：产品在一定条件下无故障完成规定功能的能力或可能性IGBT模块的失效模式：功率周次Power cycling：功率周次用于评估绑定线和Die焊层的机械寿命Power cycling can estimate the bonding wire and die solder’s lifetime 测试方法: 加载自加热，周期≤3秒，测试ΔTvjTest method: Self heating by load, T_cycle ≤3 seconds, measure ΔTvj 失效判据：饱和压降Vcesat 增大+5%Failure criteria: Vcesat increase more than 5%温度周次Thermal cycling温度周次用于评估DCB下焊接层的寿命Thermal cycling can estimate DCB solder’s lifetime测试方法: 通电加热，周期5分钟，测量ΔTcTest method: Self heating by load, 5 min/, measure ΔTc 失效判据：热阻Rthjc 增大+20%Failure criteria: R_thjc increase 20%失效机理是两种材料不同的膨胀系数(Different material’s CTE)[ppm/K]不同应用下IGBT模块的寿命Lifetime of IGBT module in different applicationThere are many applications and similar types of power modules.Main objective is: how to select an active device in order to reach desired system lifetime? Is it possible to have power module suiting to all applications?由周期内系统工况变化获得温度变化Get the temperature profile by power profile in a cycle温度变化导致的失效模式Failure modes with ΔTThere are two key factors in the selection of the appropriate power module:1)thermal: Tvj op < Tvj max2)reliability: wear out mechanisms which determine module lifetime as result of module reliability curves and thermal stressesNote: RBSOA and other electrical phenomena are not covered in the presentation. Factors and impacts:1)TjFWD max ≤Tvj opTjIGBT max ≤Tvi opNowadays Tvj op = 150°C2)DTjFWD & DTjIGBT refer to Power Cycling reliability curvesΔTC refers to Thermal Cycling reliability curvesReliability curves are always given by power module manufacturer绑定线老化——功率周次曲线Bond wire degradation –PC curve功率周次曲线修正因数PC curve correction factor基板焊层老化——热循环曲线Solder on baseplate degradation –TC curve功率温度循环（PC）次数评估计算No. of cycle estimation calculation with Power cycling curve实例：稳态周期系统的寿命估算Simple mission cycle -- example of lifetime estimationFor relative simple mission cycles the module lifetime based on the three presented reliability curves and power losses converted into a junction and case temperature swing can be easily estimated. PrimePACK™module in use: FF900R12IP4D实例：稳态周期系统的寿命估算Simple mission cycle -- example of lifetime estimationQuestion from last page: how to estimate the power module lifetime under the mission cycle, has to be repeated again. Let’s calculate the module wear out as a function of mission cycle and time.Final lifetime module estimation:wear out / year = 0,3% + 5.8% + 4,38ppm + 8,76ppm ≌6.1%As reliability curves are given for 100% lifetime the module can work in the example application for :100% / 6.1% ≌16.4yearsNote: These calculations are made for IGBT only. FWD has to be calculated separately.动态负载周期的寿命估算方法Dynamic load cycle –lifetime estimateMatlab calculates losses for given number of the load cycles and applies them to the thermal networks specific for selected module in Simulink. As a result the junction temperature profile for IGBT, Diode and the profile of the solder temperature is obtained.In that case, the simulation will be stopped. Over the graph the information says, which element has higher temperature than allowed. If its below..雨流计数法---随机负载谱转化为变幅或恒幅的负载谱•把负载变化周次种类减少•根据有限的试验数据推算整个寿命周期的变化规律，获得典型谱From the temperature profile analysis the life time (and wear of the life time in %) for each element and solder will be calculated. The graphs will show the life time wear for each deltaT. The sum of the percents is calculated and also shown on the graph.IGBT4模块的性能提升High performance of IGBT4 moduleIGBT4模块的150度最高允许工作结温，源于内部焊线工艺的改进，使其可靠性指标-功率周次（PC）数大幅增加！铜绑定线Copper Bonding Wire-- EconoDUAL™3 600A真正实现EconoDUAL™3 最大输出电流能力--- @ TC=100°C, Tvj=175°C降低引线电阻R CC‘EE‘保证功率周次，满足风力发电，电动汽车需求提供焊接/PressFIT 两种兼容版本提供650V,1200V,1700V IGBT4 全系列，便于现有设计的功率升级PressFIT 端子压接技术Press + FIT = PressFITPressFIT Technology无铅以达到RoHS环保要求简易无焊接安装节约生产组装的成本和时间高可靠性减少工人焊接端子中失误导致的过温和静电损坏可靠性已在多个高端客户的产品中得到验证超声波焊接的功率端子Ultrasonic welded terminals功率端子采用超声波焊接Internal terminal connections ultrasonic welded- 可增加模块端子的鲁棒性Increased mechanical robustness- 可增加模块端子电流通过能力Higher terminal currents possible - 无焊料可增加热传导能力maximum temperature even reduced已应用在以下的模块封装中：PrimePACK, IHM-B Traction series, EconoPACK™4 模块基板和衬底材料的选择以提高温度周次。
IGBT热可靠性分析简述
作者简介院尹丽晶(1989-)，女，工程师，硕士研究生，主要从事半导体元器件检测及可靠性研究相关方面的工作。
IGBT 热可靠性分析简述A Brief Analysis of the Thermal Reliability of IGBT尹丽晶1,2(1.中国电子科技集团公司第十三研究所,河北石家庄050051;2.国家半导体器件质量监督检验中心,河北石家庄050051)Yin Li-jing 1,2(1.The 13th Research Institute,CETC,Hebei Shijiazhuang 050051;2.National Semicon-ductor Device Supervision and Inspection Center,Hebei Shijiazhuang 050051)摘要：IGBT 器件被认为是一种可用于需要高压、大电流和高速应用领域的理想功率器件，驱动功率小而饱和压降低。
该文对IGBT 器件的基本原理及其主要热失效模式进行了简要介绍，并提出了改进意见。
关键词：IGBT；基本原理；热失效中图分类号：TN322+.8文献标识码：A文章编号：1003-0107(2020)08-0027-04Abstract:IGBT devices are considered to be ideal power devices for applications requiring high voltage,high current and high speed,with low driving power and low saturation voltage drop.In this paper,the basic principle and main thermal failure modes of IGBT devices are briefly introduced,and some suggestions are proposed.Key words:IGBT;Basic Principle;Thermal Failure CLC number:TN322+.8Document code:AArticle ID ：1003-0107(2020)08-0027-040引言IGBT(Insulate Gate Bipolar Transistor)，即绝缘栅双极型晶体管，是一种复合了双极结型晶体管(BJT)优点的MOS 型器件，集MOSFET 的电压控制特性和BJT 的低导通电阻特性于一身。
IGBT可靠性与寿命评估分析
IGBT可靠性与寿命评估分析摘要：IGBT是新能源汽车电器控制器中十分重要的一项部件，与电动汽车安全性和可靠性有关。
在本篇文章中主要论述了使用热敏感电参数方式提取IGBT结晶。
通过具体的实验获得实际情况，以此分析和判断该项模块的热疲劳寿命，按照电机控制器总成的实验情况提出了可行性方案。
关键词：IGBT可靠性；寿命评估；研究要点IGBT是能源变换和传输的一项核心器件，被称之为电力电子装置中的CPU。
在新能源汽车中，IGBT决定了驱动系统的交电流转换情况，同时也和车辆最大输出功率有关，是汽车动力总成系统中非常重要的一方面。
由于新能源汽车中对于IGBT功率器件应用极为普遍。
因此该项功率在整个车的成本中占据比例是特别大的。
在电机控制器中，IGBT把动力电池的高压直流电转变为驱动三相电机的交流电，为电机提供充足的动力。
在汽车运行状态下，启停和频繁加减速都会使IGBT模块工具发生改变，IGBT结温也呈现出了循环变化状态，温度变化形成的热应力，使模块内部焊层之间形成热疲劳或者失效。
从中来看，IGBT模块的结晶变化决定了工作的寿命和可靠性体现。
在本篇文章中利用热敏感电参数方式提取IGBT的结温，通过具体的分析评估整车寿命周期内的IGBT模块热疲劳寿命。
1、对于IGBT的论述IGBT主要是指复合类型的结构，本身组成部分为金属氧化物半导体场效应晶体管，本身具备的优势特别高，呈现出了功率小、热稳定性良好、载流密度大的一系列优势。
一般情况下，经过芯片、基板以及散热器进行焊接形成，热特性是IGBT功率器件的重点，芯片工作形成的热量通过不同的介质和界面传递到散热器，把热量全面挥发出来。
该项模块的发热来源渠道为功率损耗，功率损耗包含了IGBD损耗以及wd损耗，同时也表现为开关损耗和导通损耗。
功率损耗和电流饱和压降开关频率等多项因素有着密切的联系性。
2、IGBT的可靠性基本要求第一，针对于车规划级ICBT模块来讲，因为周围使用环境条件极为恶劣，工况特别复杂，寿命要求高，因此对于该项模块性能和可靠性提出了十分严格的要求。
基于电热耦合模型和寿命预测的IGBT可靠性评估
第37卷第6期电力科学与工程V ol. 37, No. 6 2021年6月Electric Power Science and Engineering Jun., 2021 doi: 10.3969/j.ISSN.1672-0792.2021.06.003基于电热耦合模型和寿命预测的IGBT可靠性评估帅双旭，熊炜，彭月，艾小清，刘玉洁，朱拉沙（贵州大学电气工程学院，贵州贵阳550025）摘要：针对IGBT可靠性评估中结温与运行工况和工作特性紧密相关的问题，以及考虑寿命预测中受多因素的影响，基于IGBT结构及失效机理，提出基于电热耦合模型和Bayerer寿命预测模型的IGBT可靠性预测流程，并结合贵州大学城市配电网柔性互联关键设备及技术研究示范工程，以MMC和DAB换流器中IGBT模块为研究对象，建立其热网络模型并根据设备实际运行工况计算内部IGBT芯片、FWD功率损耗和瞬时结温；通过雨流算法提取温度循环获得IGBT结温统计特征，从而得到IGBT的寿命预测和可靠性评估相关参数，并与利用功率循环曲线计算的失效率进行对比，结果表明，考虑了工作运行状态并基于电热耦合模型和寿命预测模型获得的失效率更能反映IGBT的实际运行情况。
关键词：IGBT；可靠性评估；寿命预测；电热耦合模型；雨流算法中图分类号：TM614 文献标识码：A 文章编号：1672-0792(2021)06-0017-09IGBT Reliability Evaluation Based on Electro-thermal CouplingModel and Life PredictionSHUAI Shuangxu, XIONG Wei, PENG Yue, AI Xiaoqing, LIU Yujie, ZHU Lasha (The Electrical Engineering College, Guizhou University, Guiyang 550025, China)Abstract:Aiming at solving the problem that junction temperature is closely related to operating conditions and operating characteristics in IGBT reliability evaluation and considering the influence of multiple factors in life prediction, this paper proposes the reliability prediction process of IGBT based on electro-thermal coupling model and Bayerer life prediction model on the basis of IGBT structure and failure mechanism. Combined with Guizhou University’s urban distribution network flexible interconnection key equipment and technology research demonstration project, with IGBT modules in MMC and DAB converters as the research object, the thermal network model is established and according to the actual operating conditions of the equipment, the power loss and instantaneous junction temperature收稿日期：2020-12-07基金项目：贵州省科学技术基金（[2019]1058）作者简介：帅双旭（1996—），女，硕士研究生，研究方向为柔性互联配电网可靠性评估；熊炜（1972—），女，副教授，研究方向为配电网运行与控制及可靠性研究。
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I G B T可靠性测试方法 This model paper was revised by the Standardization Office on December 10, 2020
I G B T可靠性测试方法
IGBT的寿命通常长达数十年,因此倘若不采取特殊的测试手段而使器件在正常情况下工作直至失效是不现实的，寻求一种有效地测试手段就显得非常必要。
通常的测试手段有加速寿命测试（HALT，HighLyAcceLeratedLifeTest），HASS（HighLyAcceLeratedStressScreen）、功率循环、温度循环几种。
本文着重介绍功率循环和温度循环测试方法。
功率循环测试
在给定的温度和循环次数条件下，收集工作中器件的相关参数。
在测试前，器件的工作温度已经被调节到合适的点并且器件已经上电。
功率循环可以通过以下几种方式实现[7]；
a)恒功率：对于任何单个器件，功率在加热期间置为预先设定的值，在关断
期间要么不加功率负载。
这通常涉及开环控制，预先设定的值也会因散热区别而异；
b)变功率：为了使散热达到最快的速率，在加热或散热期间功率出于变化状
态，此模式下闭环控制很受人们亲睐；
c)恒散热：同恒功率相匹配，散热要么控制在预先设定的值（散热期间或整
个测试期间），要么关断（加热期间），此模式为开环控制；
d)变散热：在加热或散热期间，散热的速率是变化的。
此模式可增加循环速
率。
图1是恒功率/恒散热和变功率/恒散热测试的对比。
图1功率循环方式
温度循环测试
将器件放在温度控制箱中，不断调节温度箱内的温度如图2所示。
通常情况下，实验将高温条件设为150℃，放置20分钟，低温设为-40℃，放置20分钟，常温25℃，放置10分钟。
温度变化的步长大约10℃每分钟[10]。
图2温度循环测试方式
IGBT失效判定标准[9]
因IGBT芯片以及续流二极管均被封装在模块的内部，因此不能实时监测出内部发生的变化，只有通过测量电气参数的方法间接推断器件的状态，通常包括集射极电压、阈值电压和漏电流。
Vce偏移量超出初始值的20%
该方法是极容易被提出的，使用该准则时必须注意两点：①门极电压必须保持在15V；②通过器件的电流必须为额定电流。
看似简单的测试手段在实际中并没有那么实用，原因在于：不同的功率测试中，条件不一样，测出的Vce 千差万别。
例如在铝导线脱落造成的器件失效模型中，Vce仍然会在很长一段时间内不发生明显的变化，而在器件内部金属重构造成的失效模型中，Vce在实验的起点就发生线性增长的情况。
阈值电压变化超出初始值的20%
该测试准则为：2000，5000，10000次循环测试结束后中断实验，并进行测量，在测量时要保证不加门极电阻。
器件漏电流变化
在门极电压为20V时，如果门极的漏电流超出1uA，则可认为该器件失效。