[發明專利]一種IGBT模塊內部鍵接線故障監測系統及其工作方法

無效

• 申請號: 201210528663.1
• 申請日: 2012-12-06
• 公開（公告）號: CN102981098A
• 公開（公告）日: 2013-03-20
• 發明（設計）人: 杜明星;魏克新;岳有軍;謝琳琳;胡震
• 申請（專利權）人: 天津理工大學
• 主分類號: G01R31/02
• 分類號: G01R31/02;G01K7/16;G01R19/00
• 代理公司: 天津天麓律師事務所 12212
• 代理人: 王里歌

（一）技術領域：

本發明涉及一種功率半導體器件的故障診斷技術領域，尤其是一種IGBT（絕緣柵雙極晶體管——Insulated?Gate?Bipolar?Transistor，簡稱IGBT）模塊內部鍵接線故障監測系統及其工作方法。

（二）背景技術：

隨著電力電子技術的不斷進步，電力電子系統在眾多工業領域的作用日益突出，如電機傳動、電動汽車、以及太陽能和風能等領域。電力電子系統應用領域的不斷擴大，使得其可靠性、壽命、健康監測和預期維護變得非常重要。此外，電力電子系統的最易發生的故障點之一為功率半導體器件，因此研究功率半導體器件的可靠性對于增強系統的可靠性、延長其壽命具有重要的作用。

在電力電子系統中，常用的功率開關器件是IGBT模塊，這主要是考慮到下面幾個優點：1）IGBT模塊可以用于在高電壓大電流的環境下；2）IGBT模塊具有快速的短路電流處理能力；3）IGBT模塊屬于壓控型器件，故通過門極信號控制器件的開關動作較為容易。由于IGBT模塊開關器件，承擔著大電流和強電壓的切換任務，故其工作條件易于引起一些應力的變化，特別是在高溫環境下劇烈的溫度波動對其內部的影響。IGBT模塊內外部的溫度波動是產生熱機應力的本質原因，正是這一原因將使得模塊結構產生老化損傷。相關研究的結果已經證實了IGBT模塊內外環境溫度的周期變化可以導致鍵接線脫落、鍵接線跟部裂紋、焊料分層和芯片鍍鋁重構等問題。當上述現象發生時，IGBT模塊甚至系統已經遭到不可逆轉的損壞。故研究IGBT模塊老化，且能預報某些位置點故障即將發生是非常必要的。基于此，尋求容易在線實時測量的，且能明確體現老化過程的外部標識參數是非常重要的。

為了預報IGBT模塊的系統故障，需要研究分析系統的故障類型。IGBT模塊故障的產生與自身結構、溫度、機械、材料、制作工藝等因素有關，其故障類型大約分為兩大類：一類為封裝級故障，如焊料層疲勞、鋁鍵接線斷裂或剝離、DCB基片失效等；另一類為柵氧化層擊穿、電過應力、輻射失效等器件級故障。上述故障中，鍵接線故障是最主要的故障類型之一。這主要是因為95％的功率半導體器件的內部連接方式為引線鍵合技術，且該項技術既具有可靈活地連接器件內部各部件的優點，又有其自身不可避免的缺點。

鍵接線故障主要有兩種：一種是鍵接線跟部裂紋，另一種是鍵接線斷裂。鍵接線的可靠性與鍵接線的直徑粗細和起拱高度有關系。直徑越粗鍵接線的可靠性越差，鍵接線的起拱高度越低其可靠性越低。此外，影響IGBT模塊鍵接線可靠性的另一重要因素是自身溫度的變化，而溫度變化是較為隨機的，且測溫較為困難。因而研究IGBT鍵接線的脫落和根部裂紋需要提出一種有效的方法，這正是本發明要解決的技術問題。

鍵接線斷裂主要在IGBT和二極管鍍鋁層與鍵接線的焊接處。鍵接線焊接處損壞過程從焊接處裂縫開始，最終導致斷裂。依據使用的材料和工作條件的不同，焊料處的老化過程收到多種因素的影響，因而芯片鍵接線失效機理的物理建模是非常困難的。但由于鍵接線將IGBT的射極和續流二極管的陽極與整個模塊的射極相連接，所以鍵接線熔斷引起的最直接后果為每個單元的一部分IGBT芯片的射極與模塊的射極斷開。這一點正是本發明解決鍵接線故障診斷的突破口。

綜上所述，監測IGBT模塊鍵接線脫落故障是可以操作和實現的，但是也存在著的難以克服的困難，主要有：

1.功率半導體器件是密封的，判斷鍵接線的故障與否不可以利用開啟模塊的方法；

2.除少部分廠家的特性型號的功率半導體器件內部植入溫度傳感器外，通常使用的功率模塊不可以在內部放置傳感器來監測其健康狀態；

3.鍵接線的故障收到多種外界因素的影響，從故障成因去判斷其故障狀態較為困難；

4.功率半導體器件故障的產生是一個短暫的時間過程，故要求故障監測系統或裝置的監測速度要足夠快；

5.目前尚無成熟有效的手段和方面來完成功率半導體器件的故障監測。

（三）發明內容：

本發明的目的在于提供一種IGBT模塊內部鍵接線故障監測系統及其工作方法，它可以克服現有技術的不足，是一種結構簡單，故障檢測速度快、精度高，有效性好的系統及方法。