1、IGBT失效机理
实际应用中，IGBT常见的两种失效机理：

• 突发失效：即自发的，不可预知的失效
  
• 渐变失效：可预测的失效，随着时间推移慢慢产生，制造商起着决定性的作用
  

1、突发失效：应用工程师的主要任务是通过设计防止突发失效，设计时必须考虑所有相关因素。可以通过冗余系统、加强保护来实现，合理选用器件和工程师的设计决定了突发失效的风险

2、渐变失效：器件制造商起着决定性作用，一般制造商会提供器件数据图表，如功率循环寿命及热循环寿命等，工程师根据这些数据，再结合特定应用的负载变化曲线，即可得出器件的使用寿命和适用性

下图可概括IGBT的不同失效机理，灰色框表示突发失效原因，阴影框表示可导致渐变失效的因素。失效可能会立即出现，也可能经过一段时间（预损坏）出现，这取决于受损伤的程度

宇宙射线也是IGBT失效的一种重要因素，是一种特殊的失效机理，不在这里体现


模块的老化与许多因素有关，包含电气负荷因素和环境因素，环境因素包含：温湿度、宇宙射线、灰尘、机械振动等

现有的试验和研究更多是在电气负荷对IGBT寿命的影响：

模块由不同材料组成，不同材料的CTE（热膨胀系数）不一样，工作过程中，持续的温度波动导致材料相邻层产生机械应力，这是导致模块老化失效的根本原因

主要失效的位置包含：

• 绑定线根部
  
• 芯片金属化层
  
• DCB与芯片、DCB与基板之间的焊接层
  

1、绑定线失效：

目前IGBT模块应用比较多的是铝绑定线，反复的热应力下，绑定线不可避免承受疲劳应力，典型的失效模式有两种：

• 绑定线疲劳开裂；
  
• 绑定线疲劳脱落
  

大电流IGBT模块通常用几根绑定线分担电流，其中一根绑定线损坏脱落，其它绑定线会承受更大的电流从而加速损坏；疲劳还会导致损耗增加，可能引起芯片过热失效


2、 金属化重构

随着功率循环次数的增加，芯片表面铝金属层出现退化、晶粒增大、铝层挤压的现象，金属化层重构会造成层电阻增加，从而导致Vcesat参数的上升；还可能造成有效的芯片元胞面积减少，造成局部的热点或烧熔


下图体现金属化层重构导致的Vcesat持续上升

3、焊接层退化

模块内部，DCB与芯片、DCB与基板之间的连接目前大多通过焊接完成，长期的热循环应力会导致焊接层脆化、开裂

（图片来源：赛米控电力电子）

此外，焊接层的退化也可能表现为焊接层空洞的形成，对模块的热阻影响很大，随着空洞的增多和加大，散热效率降低会导致芯片过热失效


一般通过加速老化实验及功率循环试验的数据来建立IGBT模块循环寿命的模型，模型的种类很多，包含 Coffin-Manson 模型、Lesit模型、 Norris-Landzberg 模型和 Bayerer 模型等

其中Coffin-Manson 模型、Lesit模型是基于结温的寿命预测模型；Norris-Landzberg 模型和 Bayerer 模型是基于多变量的寿命预测模型，除结温波动外，基于多变量的寿命预测模型考虑的变量更多，情况更复杂

IGBT模块寿命评估流程可以用下图描述：

大致分为热计算+雨流算法分解+结合模型计算寿命 三个部分

对于电动汽车这种工况复杂的应用，负载快速且无规律变换，需要根据应用工程师提供的任务曲线，使用热仿真软件计算一个工况周期损耗变化，再结合热阻计算结温变化曲线


我们知道，影响模块寿命最大的因素是结温波动，整个工况周期包含大的结温波动和大量小结温波动，通常的做法是通过雨流算法，将其分解简化为若干个具有不同波动幅度的负载循环

接下来，结合前边厂商给出的循环寿命的模型，计算一个工况周期的损伤度，再由此估计模块的使用寿命


该公式中：

n是从雨流算法中提取出来的循环次数

N是从寿命曲线中提取出的数字，通过该公式计算出一个工况周期的模块损伤度

最后将该损伤度推算到100%的时候，就是该模块的预计寿命
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