压接型IGBT器件封装可靠性建模与测评

第1章　绪论 1.1　压接型IGBT器件发展趋势及面临的挑战 1.1.1　发展趋势 柔性直流输电技术是智能电网技术发展的主要方向之一，也是构建未来全球能源互联网的关键环节。和传统交流输电技术相比，柔性直流输电技术具有有功和无功均可独立控制、可大范围潮流分配以及快速调节等优点，在大规模可再生能源并网、海岛互联和多端网络构建等方面拥有广阔的发展前景[1，2]。2018年《全球能源互联网骨干网架研究》指出，未来20年全球规划建设柔性直流输电工程220多个。未来柔性直流输电技术还将向着多端化、网络化方向发展，输送电压/功率将达到±500kV/3000MW乃至更高，迫切需要高压大容量柔性直流换流阀装备[3-5]。而模块化多电平换流器(modular multilevel converter，MMC)拓扑结构避免了IGBT器件的直接串联，其具有结构模块化、开关频率低、损耗小、谐波含量小、易于实现高压多电平输出的优点，使得MMC广泛应用于多个实际柔性直流输电工程中[6-9]。 美国能源部在2012年曾报告高压直流输电的年故障率为高压交流输电年故障率的20倍，且90%以上为电力电子变流装备故障[10]，从而使得柔性直流换流阀的可靠性研究备受关注。国内换流阀运行情况统计资料表明，84%的换流阀故障由换流阀元件故障导致，主要是零件故障、制造工艺以及安装工艺等原因造成[11]，如图1.1所示。在MMC柔性直流换流阀中，MMC换流阀组件承受着交流和直流相互叠加的复杂电应力工况，核心器件IGBT必然受到高压大电流交变电热应力的影响。为了保障电力系统的安全稳定运行，对MMC柔性直流换流阀大功率IGBT器件的可靠性提出了更高的要求。 大功率IGBT器件有焊接型和压接型两种基本封装形式，如图1.2所示。焊接型IGBT结构通常由键合引线、焊料层和覆铜陶瓷基板(direct bonding copper，DBC)层组成，其中键合引线和焊料层是其典型失效部位。压接型IGBT器件通过施加压力，使内部芯片与外部电极形成电气连接。相比于传统的焊接型IGBT，压接型IGBT结构摒弃了焊料层和键合引线的干扰，具有功率密度大、双面散热、结构紧凑、短路失效等优点，特别适用于电力系统装备的应用。其双面散热的优点更加适用于柔性直流换流阀等大功率场合，特有的短路失效模式，可以在器件故障时刻，为保护装置提供动作时间。如果压接型器件可以长期工作在短路失效模式下，甚至可以取消子模块旁路开关，减少系统复杂程度，降低工程成本。 图1.1　换流阀故障分析 图1.2　焊接型IGBT和压接型IGBT模块典型剖面结构图[6-15] FRD指快速恢复二极管(fast recovery diode) 1.1.2　面临的挑战 我国柔性直流输电技术已从跟随者变为引领者，但是柔性直流输电装备的核心器件IGBT仍然被国外公司垄断。在柔性直流换流阀中，由于早期国内的柔性直流装备厂商无法获得压接型IGBT器件产品，只能使用ABB、英飞凌(Infineon)公司的通用焊接型3300V/1500A IGBT模块，拓扑结构只能采用器件数量较多的模块化多电平形式，但其在提高装备控制复杂性的同时，功率提升能力有限。在ABB、东芝(Toshiba)公司对国内开放产品后，国网智能电网研究院、南瑞集团有限公司、许继集团有限公司、荣信股份公司开始进行基于压接型IGBT器件直接串联的样机研制。2015年国网智能电网研究院研制的电压200kV、关断电流15kA的直流断路器样机就是基于ABB公司的4500V/2000A压接型IGBT器件。目前国内在压接型IGBT器件的采购方面，存在价格高昂、供货周期长、参数特性不适合等诸多方面的限制。随着国内柔性输电输送功率的不断提高，现有IGBT器件的电流已远不能满足需要，故对3000A及以上电流等级的器件的需求强烈。此外，直流断路器等新型柔性直流输电装备的出现，对IGBT器件特性提出了与通用IGBT器件完全不同的技术需求。因此，针对我国柔性直流输电装备具体技术需求，研制定制化的超大功率压接型IGBT器件的任务迫在眉睫。 目前国内压接型器件封装的主要研究机构有国网智能电网研究院和株洲南车时代电气股份有限公司。全球能源互联网研究院有限公司针对电力系统装备的需求，从2010年开始研制高压IGBT芯片，同时也开展了压接型封装的理论与实验研究，目前已制备出全直接压接型3300V/1500A IGBT样品；株洲南车时代电气股份有限公司正在进行压接型IGBT器件的研制，采用的是全直接压接技术路线；2015年6月，国网智能电网研究院研制成功了基于压接型器件的串联型电压源换流阀，系统在±10kV电压水平和1050Hz开关频率的条件下，能够稳定运行，标志着该单位成为世界**家全面掌握MMC型和串联型换流器关键技术的研究机构；2017年12月，株洲中车时代电气股份有限公司牵头完成了“3600A/4500V压接型IGBT及其关键技术”项目，项目实现了研制出世界功率等级*高压接型IGBT器件的目标。这是我国压接型IGBT技术零的突破。 目前，全球能源互联网研究院有限公司联合株洲南车时代电气股份有限公司、北京四方继保自动化股份有限公司、中国科学院微电子研究所以及国内高校针对压接型器件特性等方面开展了研究，并且针对压接杂散参数对器件分流的影响、器件的压力/温度分布及热阻测量方法、焊接型器件和压接型器件特性对比等方面进行了初步研究。但是由于我国在高压大功率压接型IGBT器件研制方面起步较晚，研究基础薄弱，缺乏压接型器件封装老化失效和寿命测评等应用基础研究的经验，因此亟待认知压接型IGBT器件封装老化和失效演化的机理，这样才可以支撑其满足大容量柔性直流输电装备长期可靠性的要求。压接型IGBT器件的发展趋势是向更高电压、更大电流、更加可靠、更加智能化的目标发展。更大功率的压接型IGBT器件需要更多芯片并联封装，这不仅会带来器件可靠性水平降低的风险，而且必将增加器件老化失效研究的难度。因此，需要更深入研究压接型IGBT器件封装老化失效机理，通过与电子、材料、机械工程的学科交叉融合，为提升更大功率压接型IGBT器件可靠性的理论认知水平，提供理论与技术支撑，进而促进我国压接型器件的自主研发水平及可靠性提升，实现国产替代进口。 1.2　压接型IGBT器件封装可靠性研究现状 1.2.1　失效机理及物理建模 将IGBT芯片等效成一个金属-氧化物-半导体场效应晶体管(metal-oxide- semiconductor field effect transistor，MOSFET)和双极型晶体管组成的有三层PN结结构，且由栅极控制，在功率循环下栅极区的劳损、栅氧化层的破坏、芯片表面的划痕都会影响IGBT器件的工况。而压接型IGBT模块封装结构是由多层结构通过压力连接而成的，由于各层组件材料物理参数属性的差异，相邻层组件材料的热膨胀系数存在差异，在器件工作时将产生交变热应力，在该交变热应力的反复作用下使得材料产生蠕变疲劳和失效，其工作寿命与可靠性将影响整个装置或系统的正常运行。IGBT器件从制造、检验出厂、用户使用和*后失效可用浴盆曲线来概述，该曲线主要由三部分组成，如图1.3所示。 图1.3　IGBT器件一般失效过程 第1阶段：早期失效，由产品本身存在的缺陷(设计缺陷、工艺缺陷)造成，改进设计、材料、工艺的质量管理，可明显改善早期失效率。 第2阶段：在初始阶段后，器件具有较低和稳定的失效率，不正确的使用是失效的主要原因。 第3阶段：磨损、老化、疲劳等引起产品性能恶化。常规电力电子器件的老化有化学变化使材料退化、压焊点氧化等。 失效机理是指电力电子器件在实际使用中发生失效的物理化学过程，如疲劳、腐蚀和过应力等。导致压接型IGBT器件材料物理化学性质变化的主要因素为热应力和电应力。热应力的影响可以体现在以下三个方面：①高温下芯片表面和内部杂质的加速反应，缺陷进一步生长，表现为器件电气性能快速退化；②高温导致扩散反应引起硅铝共熔形成硅化物使导通电阻降低形成短路，因长时间短路电流涌入硅铝互熔部位使局部温度急剧上升，*终引起硅铝气化，使电阻变大直至开路；③不同材料间热膨胀系数差异造成界面热匹配问题、键合引线断裂、钝化层开裂、芯片表面出现划痕并继续扩展*终导致芯片表面产生裂纹等。电应力的影响可以体现在以下两个方面：①内部寄生参数的影响，内部寄生的双极正反馈结构在大电应力或瞬变电应力下被激发，导致电源电流无限增大(近似电源与地短路)，触发源撤去后，寄生正反馈结构仍在工作，直至电源撤去或电路被烧毁；②由于过电应力冲击影响，强电场导致栅氧化层击穿、大电流发热导致多晶电阻烧毁、PN结区硅烧熔、金属间电弧等。如表1.1所示，通过对压接型IGBT器件的文献查阅和实验结果分析，目前压接型IGBT器件的失效模式和对应失效机理有七种，分别为开路失效、短路失效、栅氧化层破坏、微腐蚀、微动磨损、栅极弹簧失效和边界翘曲[15-20]。 表1.1　压接型IGBT器件失效模式 文献[15]通过分析功率循环前后芯片表面金属层的粗糙度，研究了压接型IGBT器件的微动磨损失效机理，发现随着温度的升高，微动磨损加速，且在一定范围内磨损程度随载荷的增加而增加。文献[16]分析了压接型IGBT器件内部形成稳定短路失效模式的三个阶段：①短路失效初始阶段，铝镀层在高温下腐蚀渗透到硅芯片中，形成硅铝合金；②老化加速阶段，IGBT芯片的硅材料以及表面铝金属层开始熔化，随着功率循环的进行，越来越多的硅铝合金不断地渗透到钼垫片中；③开路失效阶段，IGBT子模块导电性能越来越差，模块整体变得易碎，阻碍硅铝合金形成的导电路径，导致开路。文献[17]详细分析了压接型IGBT器件发生开路失效的现象，在器件发生短路失效后，内部金属材料不断腐蚀消融，影响器件导电性，*终导致开路失效，在电路中表现为压接型IGBT器件栅极不受外接电路控制、正向*大压降在集电极上。文献[18]分析了压接型IGBT器件栅氧化层破坏和边界翘曲两种失效模式，其中栅氧化层破坏可能是栅极和发射极的氧化层损坏造成的极间短路失效；而边界翘曲是由压接型IGBT内部散热路径不同造成的，中间区域的IGBT热膨胀尺寸比边界IGBT的热膨胀尺寸大，导致边界IGBT的压力减弱从而出现接触不良。文献[19]发现压接型IGBT在很长时间的功率循环下，银片和钼片之间有很严重的微腐蚀现象，这是由材料间接触不良进而发生电弧放电导致的。文献[20]分析了IGBT器件中栅极弹簧随着时间推移和温度的变化出现应力松弛的现象，使栅极顶针与栅极表面接触不良，增大接触电阻，*终加速器件失效。 下面对这七种失效模式进行具体介绍。 1. 开路失效 压接型IGBT器件开路失效如图1.4所示，芯片内部被烧毁出现黑色，部分区域IGBT芯片与并联FRD芯片在高温下气化消失，在电路中表现为压接型IGBT器件栅极不受外接电路控制，正向*大压降在集电极上，发射极电压为零。 图1.4　压接型IGBT器件开路失效 2. 短路失效 压接型IGBT器件短路失效如图1.5所示，IGBT芯片表面出现黑色的斑点，未失效区域表面并未有太大变化，对失效区域进行切片，发现IGBT芯片失效区域内部的材料发生变化，由纯硅变为Si-Al-Pb-Mo混合的固体，在电路中表现为压接型IGBT器件栅极不受外接电路控制，压接型IGBT器件两端电压很低，呈现导线的性能。短路失效易出现部位多为栅极和芯片发射极的边缘处。 3. 栅氧化层破坏 压接型IGBT器件栅氧化层破坏后电压变化如图1.6所示，失效原因是栅极和发射极的氧化层损坏造成极间短路。一个正常的IGBT器件的栅极漏电流通常在微安范围内，那么栅极和发射极电阻Rge在千欧级及以下范围时