IGBT模块为何会老化失效？应如何应对？
绝缘栅双极型晶体管（IGBT）模块广泛应用于风力发电、柔性交流输电、电机牵引以及航空等高电压、大功率逆变系统中。作为电力电子系统中最易发生故障的元件之一，IGBT的失效可分为突发性失效和老化性失效两类。若未能提前检测出IGBT的老化性失效，将直接导致系统故障，甚至使整个系统瘫痪，从而造成难以预估的经济损失。
IGBT由芯片层、焊料层、DBC（直接键合铜）层以及铜基板组成。IGBT模块的主要失效部位包括键合引线根部、芯片金属化层，以及材料间的焊料层。IGBT模块的封装结构如图1所示。
IGBT的失效主要与以下因素有关：
1）过热现象。当IGBT的结温超过其最大允许温度时，可能导致器件性能下降，甚至引发烧毁。过热通常由电流过大、散热不良或驱动电路问题引起。
2）过电流。当流经IGBT的电流超过其额定电流时，将产生大量热量，导致器件温度升高，并可能引发故障。过电流通常由负载短路、驱动电路故障或电路设计不当引起。
3）过电压。当IGBT承受的电压超过其额定电压时，可能导致器件击穿并损坏。过电压可能由开关操作过程中的瞬态过电压、雷击等因素引起。
4）瞬态过电流。在运行过程中，IGBT可能会遇到瞬态过电流现象，例如续流二极管的反向恢复电流、缓冲电容器的放电电流等。尽管这些瞬态过电流事件持续时间较短，但若不采取任何措施，将加重IGBT的负担，最终导致器件失效。
5）驱动电路。驱动电路的工作频率、输出电压的上升/下降沿速率与IGBT开关速率之间的不匹配，或辅助电源的平均输出功率和峰值功率不足，均可能导致IGBT工作异常并发生故障。
6）制造工艺、材料及使用环境。若在制造过程中存在工艺控制问题或使用了不合格材料，可能导致IGBT过早失效。此外，温度、湿度和机械应力等环境因素也可能影响IGBT的性能与使用寿命，从而引发故障。
1. 物理失效分析
物理失效是指IGBT在正常运行过程中，由于内部热应力导致材料发生变形，最终使其无法正常工作。物理失效主要包括键合线老化、金属化层重构以及焊接层退化[11]。
1）键合线的老化
键合线的老化主要包括两种情况：键合线脱落和键合线断裂，如图2所示。在正常运行过程中，IGBT会受到温度变化产生的热应力影响，这可能导致键合线分层，并进而引发故障，最终导致IGBT模块的老化与失效。
2）金属化层重建
随着IGBT功率循环次数的增加，芯片表面的铝金属层逐渐劣化，晶粒尺寸增大，同时铝层受到挤压。这种金属化层的重新构造将导致层电阻上升，进而引起饱和压降参数的增加，并可能引发局部热点甚至熔融现象。IGBT金属化层的重构过程如图3所示。
3）焊接层的退化
IGBT模块内部，DBC与芯片、DBC与基板之间的连接大多通过焊接完成。然而，长期的热循环应力可能导致焊接层发生脆化和开裂现象。IGBT焊料层的失效情况如图4所示。
2 电气故障分析
IGBT的电气失效是指在元件运行过程中，由于其内部电压和电流异常而引发的失效现象。电气失效的形式主要包括电 overstress失效、静电放电失效以及闩锁效应失效[12]。
1）电气过应力失效
IGBT电 overstress失效是指由于过电压和过电流等电气应力超过IGBT的承受能力而引发的失效现象。在关断过程中，IGBT会生成集电极-发射极过电压尖峰，导致器件短路，从而无法正常工作。
2）静电放电故障
在正常工作条件下，设备会积累电荷，这可能导致在电荷释放过程中设备材料层发生击穿。此时，若IGBT的栅极或输入端受到静电冲击，可能会对其内部电路或元件造成损坏，进而引发故障。
3）闩锁效应故障
当集电极电流增大到一定程度时，寄生晶闸管会受到正向偏置电压的影响而导通，导致栅极失去控制，形成自锁现象。这将引发集电极电流进一步增大，造成严重的功率损耗，并加速故障的发生。
3 种IGBT故障延迟方法
延缓IGBT失效的方法可从多个方面入手，包括：
1）热管理。过热是导致IGBT失效的主要因素之一，因此热量管理至关重要。可采用更高效的散热方案，例如优化散热器设计、增加散热面积、提升散热效率等，以降低IGBT的工作温度，避免因过热而造成的损坏。
2）电流控制。合理控制IGBT的电流大小及其变化速率，以避免超过IGBT的额定电流及电流变化率范围。可采用适当的驱动电路和参数，确保IGBT在安全范围内运行。
3）电压控制。为避免IGBT承受超过其额定电压的过电压或浪涌电压，可在IGBT两端并联适当的吸收电路，或采取相应的保护措施以吸收过电压或浪涌电压。
4）可靠性设计。在IGBT的可靠性设计方面，可采用冗余设计、故障诊断和隔离等技术，以提升IGBT的可靠性和稳定性。
5）制造过程控制。加强制造过程中的质量控制与工艺控制，以确保IGBT的品质与性能。可采用适当的筛选和测试方法，及时剔除早期失效的IGBT器件。
6）采用环境控制措施。确保IGBT在使用环境中不受过高温度、湿度、压力及其他环境因素的影响，避免环境因素对IGBT性能和使用寿命的不利作用。
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