- 关于英飞凌IGBT可靠性的学习总结节选，全文10200字
- 文字原创， Mr.H
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导语：在之前的文章里，我们探讨驱动系统的电机控制器在热应力、电应力作用下的耐久，讨论了为什么做？怎么做？以及如何从机理角度定制化这一试验？并简要概述了IGBT疲劳寿命的计算流程。
今天我们站在IGBT的视角，对造成其失效的PC和TC，从本质和参数角度说明起源和影响问题，结合一些案例理解这其中的逻辑；最后用通俗易懂的语言对雨流计数法进行说明，阐述IGBT是如何利用这一方法，在开发之初完成寿命的评估的？
电动汽车驱动系统IGBT可靠性指南(上)
1.1 IGBT的负载条件分析 1.2 PC与TC的本质
2.1 功率循环应力与影响因素 2.2 与PC相关的关键技术参数说明 2.3 关于PC失效常见的问题 (知识星球发布) 2.4 应用实例说明 (知识星球发布) 2.4.1 案例1：IGBT连续工作
2.4.2 案例2：IGBT间歇式工作
电动汽车驱动系统IGBT可靠性指南(下)
3. 热循环(TC) (知识星球发布)
3.1 热循环应力产生机理及影响
->热膨胀冷却系数带来的问题
->热膨胀冷却系数解决办法
3.2 案例说明
4. IGBT疲劳寿命数据分析方法说明：雨流计数法 (知识星球发布)
4.1 为什么要用雨流计数法？
4.2 什么是雨流计数法？"雨流"怎么流?
4.3 案例说明雨流计数的方法
4.4 基于雨流法的IGBT寿命估算
注: 本篇为节选，完整内容会在知识星球发布(点击文末"阅读原文")
电动汽车驱动系统IGBT可靠性指南(上)
IGBT的功率循环(PC)与热循环(TC)
对于功率半导体，主要面临的两种不同类型的循环能力测试：功率循环(PC)和热循环(TC)，它们分别与不同的温度变化有关。
那么，究竟什么是PC和TC？下面我逐个解释下。
->功率循环（PC）
主要考察：元件在反复功率变化下的耐用性和稳定性。
OK，了解了PC和TC，那么在两种不同的负载应力下，存在哪些潜在的失效模式呢？其失效机制是什么？我们又要如何预防、验证和优化呢？下面，我们接着聊。
功率循环（PC）
-> 提升可靠性的常规技术手段
为了提升功率电子半导体可靠性，我们的研发人员投入了大量的工作来加速进行电力循环测试，分析导致故障的原因，并改进连接和芯片附着技术。一般有以下一些技术手段：
线材成分的优化：用于连接电子元件的导线的材料得到了优化，使其性能更加稳定，有助于提升整个设备的可靠性。
键合工装的优化：键合工装设计得更加合理，提高了连接的准确性和牢固度。
键合参数的改进：在键合过程中使用的参数（如温度、压力、时间等）得到了精细调整，以确保最佳的连接效果。
芯片金属化技术的提升：芯片表面的金属化层（用于与导线连接的金属层）的制作技术得到了改进，使得连接更加可靠，减少了故障发生的可能性。
引入更先进的芯片附着工艺：如扩散焊接和烧结技术，这些新技术使得芯片与基板之间的连接更加牢固，进一步提高了设备的可靠性。
那么，这一应力的大小，主要取决什么呢？有下面几个关键因素：
绝对结温Tvj：指半导体器件在工作时，其内部结点的温度。这个温度越高，器件的电力循环能力可能就越差，因为它会受到热应力的影响。 温度波动∆Tvj：指在一个电力循环中，结温从高到低或从低到高的变化量。温度波动越大，对器件的应力就越大，可能会影响其寿命和性能。 循环周期tcyc：指完成一个完整的电力开和关过程所需的时间。周期越短，意味着器件需要更频繁地应对温度变化，这对它的电力循环能力是一个挑战。 每个循环的导通时间ton：在一个电力循环中，器件处于导通状态（即允许电流通过）的时间。这个时间的长短也会影响器件的电力循环能力，因为导通时会产生热量，增加器件的温度。
2.2 与PC相关的关键技术参数说明
指的是半导体器件没有负载的时间段。这个时间段被特意调整，目的是让半导体器件的温度（Tj）下降到一个特定的水平，这个水平是为了实现我们想要的温度差（ΔTj）而设定的。
指的是半导体器件产生功率损失的时间段，这会导致结温（Tvj）持续上升。比如：驱动系统的加速阶段。并且，开启时间越长器件的温度就升得越高，对器件造成的应力也越大，这会导致器在其使用寿命内能够经受的开关循环次数减少。这主要是因为材料层经历长时间的开启、受到热机械循环应力，产生发生粘塑性变形的能量，导致器件的可靠性下降。
功率循环周期：tcyc
tcyc代表一个完整的功率循环周期，这个周期由开启时间ton和关闭时间toff组成。
额定电流：Inom
关于更多IGBT特性参数的说明我们之前已经解释过，感兴趣的可以再回顾下这篇文章：电动汽车驱动系统IGBT关键参数指南：开关特性、热特性、最大电压、额定电流、脉冲电流、反偏工作区、输出特性、Diode参数说明 另外，对于封装好的IGBT（包含二极管芯片），其IGBT和Diode的Inom是相同的，此时不用考虑Diode的标称额定电流。
2.3 关于PC失效常见的问题
（知识星球中发布）
英飞凌将热阻（Rth）增加...
...
通常，英飞凌公司使用...
英飞凌在测试功率模块时所使用的功率循环测试条件主要有以下两点：...
下图展示了开启时间（ton）与功率模块性能或寿命之间的某种关系。据此，我们可以了解:在不同导通时间ton下，模块的功率循环性是如何变化的，从而帮助优化设计和提高产品的可靠性...
很多模块厂商都会采用相同的PC循环曲线来表达其产品能力，为了做到apple-to-apple比较，一定要在同一个测试条件下获取的数据。例如，下面这些"手段"均可以改善测试结果：...
2.4 应用实例说明
我们还是聚焦于电动汽车驱动系统中的逆变器，假设逆变器是间歇工作的，每次工作开通10s，然后关断50s，形成一个工作循环（数据量级比较大，目的是为了说明现象）。在这个工作过程中，逆变器中的IGBT会因为负载而发热。具体来说，结温会从85°C上升到125°C。这意味着每次工作循环中，IGBT的结温都会经历一个40°C的温差变化，即∆Tvj=40 K.
如下图所示为功率循环数在不同∆Tvj下的变化情况。我们看到当∆Tvj=40K时，且最高结温Tvjmax=125°C的条件下，可以承受230万次循环。但是需要注意：因为每次工作的时间是10s，所以我们不能直接用这个数字。那怎么办呢？
我们需要从下面这张图表中找到一个修正因子...（知识星球中发布）
经计算，最终的结果是130万次循环。如果设备是连续工作的话，如开头我们提到的每个工作循环的时间是60s（即每分钟一个循环），那么在这种使用情况下，设备的预期使用寿命可以达到21,666h。是不是很简单？：）
2.4.2 案例2：IGBT间歇式工作
（知识星球中发布）
当元件首次工作时...
每次单独的负载脉冲都会消耗元件的一部分寿命。那么，要如果要计算这个由每周期四个脉冲组成的负载序列总共可以实现的周期数呢？需要使用下面的公式：...
根据上述公式，我们可以得到整个负载序列下的循环次数：...
总结下：当这个逆变器连续工作，每个工作周期是60s时，预计它的总使用寿命可以达到21,560小时。但是，在这整个使用寿命中，有99.4%的时间是因为第一个负载周期中高温的大幅变化而被消耗的。而接下来的三个负载周期，虽然也有温度变化，但幅度较小，它们只消耗了总寿命的0.6%。
热循环（TC）
3.1 热循环应力产生机理及影响
（知识星球中发布）
在文章开头提到过：热循环(TC)与功率循环(PC)不同，热循环关注的是元件外部焊接点（solder joint）和外壳（case）的温度变化（简称∆TC）。这是因为元件在工作时，不仅内部会产生热量，还会通过外壳和焊接点与外界环境进行热交换。当环境温度或元件散热条件发生变化时，焊接点和外壳的温度也会随之变化，形成热循环。所以，对于IGBT，我们要从基板切入，了解TC的机理。
图7 Cu基板IGBT在TC循环下的热界面稳定性微观图
图片来源：英飞凌
3.2 案例说明
（知识星球中发布）
为了复现真实环境中温度变化带来的热应力的影响，我们需要进行温度循环耐久测试，以模拟了其工作情况。特别是关注焊接接头的耐用性，看它们是否能经受住温度的反复变化而不出现问题...
现象解释：...
需要注意的是：...
04
4.1 为什么要用雨流计数法？
（知识星球中发布）
为了估算IGBT的预期寿命，我们需要统计在特定条件下，TA经历的温度循环次数。这些温度循环可以是基于结温Tvj(t)来评估功率循环的影响，或者是基于外壳温度Tc(t)来评估热循环的影响。那么，采用什么样的方法来统计呢？
我们在驱动系统机械耐久的三部曲中提到过，在处理具有复杂且不断变化负载循环时，我们会用到一种叫做"雨流计数法（Rainflow Algorithm）"的算法来分析疲劳数据。这个方法对于温度模式的负载循环同样适用。下面具体来讲一下。
（知识星球中发布）
这个算法的作用是把那些复杂多变的应力变化简化为一系列简单的循环次数。即，把复杂的温度变化过程"翻译"成更容易理解和计算的几个简单循环，从而帮助我们更好地评估设备的疲劳寿命。其工作方式是这样的...
具体而言：...
图10 雨流计数法方法示意图
图片来源：英飞凌
（知识星球中发布）
图11 雨流计数法案例说明：过程
图片来源：英飞凌
解释下上图的含义...
然后，统计那些幅值相同但方向相反的半周期，将其数量加在一起，以此来计算完整循环的数量。结果如下图12所示：...
（知识星球中发布）
| SysPro注释：[Miner疲劳累计理论] 当材料受到多种不同大小的应力作用，并且每种应力都作用了一定数量的循环次数时，这些应力的累积效应会如何影响材料的最终疲劳破坏。
具体来说，...
根据图9可知，材料在其使用寿命期间，在65K的温度变化下承受75,000次循环，或者在40K的温度变化下承受650,000次循环。根据之前的载荷分析，假设器件在全生命周期中执行25,000循环。那么对应的使用寿命分别是：
25,000/75,000 = 33.3% @ 65K
25,000/650,000 = 3.8% @ 40K
由此也可以看出，大部分寿命消耗是由其高负载循环造成的，而20K和10K的循环对整体寿命的影响非常小。
IGBT疲劳耐久相拓展阅读、培训视频已在星球「SysPro|视频培训|控制器」专栏发布。建议大家结合5月17日更新的培训视频<IGBT功率模块讲解>一同学习，视频链接：电动汽车动力总成工程师的武器库。
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