功率半導體器件是電力電子系統的主要組成部件。IGBT功率器件的使用壽命可以達到30年左右，因此在實際工作條件下測試IGBT功率器件的可靠性是不現實的，需要引入加速老化試驗。功率循環試驗是用于評估半導體可靠性的最常見的熱加速測試之一。由于實際應用中IGBT功率模塊的結溫波動(ΔT_j)一般為40 K，在測試中，ΔT_j一般需要達到70 K以上；采用不同的試驗條件，構建器件的壽命預測模型，可以推斷器件在實際工況下的壽命。

20世紀90年代，瑞士研究人員發起了一個名為LESIT的項目，對大量IGBT模塊進行功率循環測試，并建立了壽命預測模型，包括兩個最重要的參數：結溫擺幅(?Tj)和介質溫度(Tm)。目前研究來看，可以認為ΔT_j、T_m、t_on和I_c是影響IGBT模塊功率循環壽命的四個最重要的測試條件。因此，在研究某一試驗條件對IGBT模塊的影響時，需要確保其他試驗條件保持不變。

在功率循環試驗中，t_on、I_c和冷卻條件的不同組合可以在一個模塊中產生相同的ΔT_j和T_m。冷卻條件包括但不限于冷卻劑的類型，溫度和流量以及TIM的類型和厚度。TIM對從結到散熱器的總熱阻R_th的貢獻超過50%。當功率損耗和t_on恒定時，結溫將隨TIM的R_th而變化。但在電加熱條件(ΔT_j、T_m、t_on和I_c)不變的情況下，TIM對整個測試的影響未知且不能忽視，同時相同的IGBT模塊在不同的冷卻條件下是否具有相同的功率循環壽命值得研究。

合肥工業大學王佳寧研究團隊，針對標準IGBT模塊直流功率循環試驗中冷卻條件（包括但不限于冷卻劑的類型、溫度和流量以及熱界面材料(TIM)的類型和厚度）可能對整個試驗過程產生影響，采用不同種類和厚度的 TIM 來改變冷卻條件，并用冷卻時間 t_off定量表征。研究了TIM對IGBT模塊功率循環壽命的影響，結果表明，當t_off變長時，IGBT模塊的功率循環壽命將會提高。為了進一步研究IGBT在不同冷卻條件下的失效機制，進行了熱-力學聯合仿真。研究成果以“Impact of thermal interface material on power cycling lifetime of IGBT module”為題發表于《Microelectronics Reliability》期刊。

簡化的熱阻網絡。

IGBT模塊內部結構。

IGBT模塊垂直結構示意圖。 

1：鍵合線，2：芯片，3：焊錫，4：銅，5：DCB，6：基板，7：TIM，8：散熱器。

直流電源循環測試臺。

1：熱電偶，2：信號采集線，3：直流電源，4：DUT，5：散熱器。

功率循環測試示意圖。

實驗測試條件。

功率循環測試結果。

功率循環測試期間 DUT 的 V_ce 趨勢。

DUT 1A在功率循環測試期間的V_ce和R_th(j-h)趨勢。

IGBT模塊測試前后的SAM圖（a）：Bonding界面；(b)：芯片貼裝。

不同 TIM 下 DUTs 的失效周期。

FEM的網格模型。

模型中使用的材料參數。

模擬和實驗分組相同設置條件下，相同模擬中不同組的規格。

芯片的溫度分布和提取路徑。

四組芯片溫度分布對比。

不同冷卻時間的熱模擬結果。

鍵合線的等效應力和溫度分布。

(a)：鍵合線結構示意圖；(b)：第4組鍵合線的等效應力(t_off =4s)；(c)：第4組鍵合線的溫度分布 (t_off=4s)。

第1組和第4組鍵合線上的應力比較。

裂紋擴展方向（第一鍵）。

本文采用功率循環試驗和熱-力學聯合仿真方法，研究了TIM熱阻對IGBT模塊功率循環壽命和失效模式的影響。試驗采用單變量控制方法。除TIM熱阻不同外，其他電加熱條件(負載電流、負載脈沖持續時間、結溫、結溫波動)完全一致。柵極電壓用于調節DUT的功率損耗。

可以得出以下結論：1）TIM熱阻的增加有助于提高功率循環壽命。主要的失效模式是引線鍵合剝離。2) 由于溫度較高，靠近芯片中心的鍵合線比靠近邊緣的鍵合線更容易損壞。因此，本次測試中 IGBT 模塊的功率循環壽命取決于中心鍵合線（4號和 5號鍵合線）的壽命。鍵合線的失效點主要是跟部區域。第一鍵的上升跟部區域最有可能破裂。3）由于TIM的功率損耗較小，熱阻較高，芯片中心區域溫度降低，芯片水平溫度梯度減小，使得中心鍵合線上的等效（von Mises）應力減小并且壽命得到改善。未來將進一步研究其他冷卻條件對IGBT模塊功率循環壽命的影響，提出一種考慮冷卻條件壽命的預測方法。

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