[发明专利]一种IGBT模块内部键接线故障监测系统及其工作方法

说明书

（一）技术领域：

本发明涉及一种功率半导体器件的故障诊断技术领域，尤其是一种IGBT（绝缘栅双极晶体管——Insulated Gate Bipolar Transistor，简称IGBT）模块内部键接线故障监测系统及其工作方法。

（二）背景技术：

随着电力电子技术的不断进步，电力电子系统在众多工业领域的作用日益突出，如电机传动、电动汽车、以及太阳能和风能等领域。电力电子系统应用领域的不断扩大，使得其可靠性、寿命、健康监测和预期维护变得非常重要。此外，电力电子系统的最易发生的故障点之一为功率半导体器件，因此研究功率半导体器件的可靠性对于增强系统的可靠性、延长其寿命具有重要的作用。

在电力电子系统中，常用的功率开关器件是IGBT模块，这主要是考虑到下面几个优点：1）IGBT模块可以用于在高电压大电流的环境下；2）IGBT模块具有快速的短路电流处理能力；3）IGBT模块属于压控型器件，故通过门极信号控制器件的开关动作较为容易。由于IGBT模块开关器件，承担着大电流和强电压的切换任务，故其工作条件易于引起一些应力的变化，特别是在高温环境下剧烈的温度波动对其内部的影响。IGBT模块内外部的温度波动是产生热机应力的本质原因，正是这一原因将使得模块结构产生老化损伤。相关研究的结果已经证实了IGBT模块内外环境温度的周期变化可以导致键接线脱落、键接线跟部裂纹、焊料分层和芯片镀铝重构等问题。当上述现象发生时，IGBT模块甚至系统已经遭到不可逆转的损坏。故研究IGBT模块老化，且能预报某些位置点故障即将发生是非常必要的。基于此，寻求容易在线实时测量的，且能明确体现老化过程的外部标识参数是非常重要的。

为了预报IGBT模块的系统故障，需要研究分析系统的故障类型。IGBT模块故障的产生与自身结构、温度、机械、材料、制作工艺等因素有关，其故障类型大约分为两大类：一类为封装级故障，如焊料层疲劳、铝键接线断裂或剥离、DCB基片失效等；另一类为栅氧化层击穿、电过应力、辐射失效等器件级故障。上述故障中，键接线故障是最主要的故障类型之一。这主要是因为95％的功率半导体器件的内部连接方式为引线键合技术，且该项技术既具有可灵活地连接器件内部各部件的优点，又有其自身不可避免的缺点。

键接线故障主要有两种：一种是键接线跟部裂纹，另一种是键接线断裂。键接线的可靠性与键接线的直径粗细和起拱高度有关系。直径越粗键接线的可靠性越差，键接线的起拱高度越低其可靠性越低。此外，影响IGBT模块键接线可靠性的另一重要因素是自身温度的变化，而温度变化是较为随机的，且测温较为困难。因而研究IGBT键接线的脱落和根部裂纹需要提出一种有效的方法，这正是本发明要解决的技术问题。

键接线断裂主要在IGBT和二极管镀铝层与键接线的焊接处。键接线焊接处损坏过程从焊接处裂缝开始，最终导致断裂。依据使用的材料和工作条件的不同，焊料处的老化过程收到多种因素的影响，因而芯片键接线失效机理的物理建模是非常困难的。但由于键接线将IGBT的射极和续流二极管的阳极与整个模块的射极相连接，所以键接线熔断引起的最直接后果为每个单元的一部分IGBT芯片的射极与模块的射极断开。这一点正是本发明解决键接线故障诊断的突破口。

综上所述，监测IGBT模块键接线脱落故障是可以操作和实现的，但是也存在着的难以克服的困难，主要有：

1.功率半导体器件是密封的，判断键接线的故障与否不可以利用开启模块的方法；

2.除少部分厂家的特性型号的功率半导体器件内部植入温度传感器外，通常使用的功率模块不可以在内部放置传感器来监测其健康状态；

3.键接线的故障收到多种外界因素的影响，从故障成因去判断其故障状态较为困难；

4.功率半导体器件故障的产生是一个短暂的时间过程，故要求故障监测系统或装置的监测速度要足够快；

5.目前尚无成熟有效的手段和方面来完成功率半导体器件的故障监测。

（三）发明内容：

本发明的目的在于提供一种IGBT模块内部键接线故障监测系统及其工作方法，它可以克服现有技术的不足，是一种结构简单，故障检测速度快、精度高，有效性好的系统及方法。