在追求2060年“碳中和”目標的道路上，高效利用綠色能源顯得尤為重要。功率模塊，作為綠色能源轉(zhuǎn)換的關鍵組件，其性能至關重要。而絕緣柵門極晶體管(IGBT)，作為電源轉(zhuǎn)換中的核心芯片，因其高頻使用而成為故障多發(fā)點。因此，深入探究IGBT的失效機理及其檢測方法顯得尤為迫切。IGBT功率模塊的可靠性，在很大程度上取決于其穩(wěn)定的電氣連接、出色的絕緣性能以及強大的抗干擾能力，而這些都離不開可靠的封裝技術。接下來，帶您深入了解IGBT的具體構造和工作過程。

IGBT模塊中的芯片主要由硅材料制成，而硅材料自身存在兩種類型的缺陷：質(zhì)量缺陷和潛在缺陷。這兩種缺陷在檢測方式上有所不同。如果模塊的缺陷可以通過控制程序進行檢測，那么這種缺陷就被歸類為質(zhì)量缺陷;然而，有些缺陷僅通過質(zhì)量控制無法察覺，需要借助外部條件如對模塊施加特定刺激才能被發(fā)現(xiàn)，這類具有隱蔽性的缺陷被稱為潛在缺陷。由于每個模塊的外部環(huán)境和內(nèi)部結構都獨一無二，因此其缺陷類型也各不相同，導致模塊失效的原因和方式呈現(xiàn)出復雜性。此外，IGBT模塊在不同使用環(huán)境下所受到的限制和應力也會有所不同，進而影響其失效的程度。

與眾多功率半導體相比，IGBT的芯片溫度確定過程往往更為繁復。這主要歸因于IGBT常采用的一體式封裝設計，其中不僅集成了IGBT芯片，還包含了二極管芯片。為了準確獲取每個芯片的溫度狀態(tài)，我們必須深入了解各芯片的功耗、工作頻率、熱阻θ以及相互間的交互作用系數(shù)。此外，還需詳細掌握每個器件的θ值及其與交互作用系數(shù)psi的關聯(lián)。接下來，我們將重點探討如何對功率二極管和IGBT芯片的溫升進行精確測量。在電路拓撲和工作條件的影響下，兩個芯片間的功率損耗可能顯著不同。IGBT的損耗主要包含導通損耗和開關(開通與關斷)損耗，而二極管的損耗則涉及導通與關斷兩個階段。為了精確測量這些損耗，通常需要借助示波器，利用電壓和電流探針來監(jiān)控器件在運行過程中的波形變化。此外，還需要運用數(shù)學函數(shù)來計算測得的能量，進而確定一個開關周期內(nèi)的總能量，并最終通過除以開關周期時間來得出功耗。

根據(jù)電路拓撲和工作條件，兩個芯片之間的功率損耗可能會有很大差異。IGBT 的損耗可以分解為導通損耗和開關(開通和關斷)損耗，而二極管損耗包括導通和關斷損耗。準確測量這些損耗通常需要使用示波器，通過電壓和電流探針監(jiān)視器件運行期間的波形。測量能量需要用到數(shù)學函數(shù)。確定一個開關周期的總能量后，將其除以開關周期時間便可得到功耗。

IGBT作為電力電子領域的核心元件之一，其結溫Tj高低，不僅影響IGBT選型與設計，還會影響IGBT可靠性和壽命。因此，如何計算IGBT的結溫T j ，已成為大家普遍關注的焦點。由最基本的計算公式T j =T a +R th(j-a) *Ploss可知，損耗Ploss和熱阻R th(j-a) 是Tj計算的關鍵。

在掌握了五個損耗分量之后，我們需要進一步將這些數(shù)據(jù)與實際測量條件相結合，以推算出每個芯片的整體功耗。首先，我們來看感性負載的波形。感性負載，例如電機，其電壓和電流波形具有典型的特征。在t0到t1的時間段內(nèi)，電流呈現(xiàn)電抗性，此時二極管負責傳導電流;而在t1到t2的時間段內(nèi)，電流轉(zhuǎn)為阻性，IGBT則開始傳導電流。這些不同時間段的功耗特性對于整體功耗的計算至關重要。雖然基于單個脈沖計算每個時間段的平均功耗相當復雜，但我們可以采用合理的方法進行估算。為此，我們需要詳細計算該時間段的平均功耗。而在此過程中，平均(或加熱)當量的計算顯得尤為關鍵。對于電壓和電流值，我們采用均方根值來計算;而對于功率，我們則直接計算其平均值。

在推算每個芯片的整體功耗時，我們需要進一步關注平均功耗的計算。這一步驟對于準確評估IGBT與二極管的功耗至關重要。為了計算平均功耗，我們需要詳細分析感性負載的波形特征，特別是電壓和電流的變化情況。在電流呈現(xiàn)電抗性的時間段內(nèi)，二極管負責傳導電流，而在電流轉(zhuǎn)為阻性的時間段內(nèi)，IGBT則開始發(fā)揮作用。通過分別計算這兩個時間段的功耗，并加以平均，我們可以得到更為準確的平均功耗值。IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)的開通損耗(turn-on loss)和關斷損耗(turn-off loss)在不同的工作條件下可能會有所不同，但通常情況下，IGBT的關斷損耗要比開通損耗更大。

1. 關斷過程中的拖尾電流：IGBT是雙極性器件，在導通時電子和空穴都參與導電。當IGBT關斷時，溝道內(nèi)的電子可以迅速被抽取走，但是空穴只能通過復合慢慢清除。這導致了一個明顯的拖尾電流，即在理論上應該已經(jīng)完全關閉的時候，仍然有一些電流流過，直到所有空穴都消失。這個拖尾電流會持續(xù)一段時間，從而增加了關斷損耗。

2. 開通速度較快：MOSFET(金屬氧化物半導體場效應晶體管)作為單極性器件，在開通時只有電子參與導電，因此沒有拖尾電流的問題。雖然IGBT的開通過程也涉及電子和空穴，但由于多數(shù)載流子(電子)的移動速度相對較快，所以IGBT的開通損耗相對較低。

3. 溫度和電流的影響：開關損耗與集電極電流和IGBT結溫有關。通常，隨著溫度的升高和電流的增大，開關損耗也會增加。特別是對于關斷損耗來說，由于拖尾電流的存在，這種影響更加明顯。

塑封料與芯片、基板的熱膨脹系數(shù)不匹配是導致分層比例偏大的重要原因，這可能進一步損傷芯片內(nèi)部結構，引發(fā)短路和漏電流偏大等問題。因此，在封裝過程中，需要充分考慮并有效控制這些匹配問題，以確保芯片的穩(wěn)定性和可靠性。

4. 塑封過程中的應力

若模具的脫模能力不足，或在塑封后的冷卻過程中存在溫度沖擊，都可能導致分層比例偏大，進而影響散熱能力。此外，若切筋過程中的夾具與模具配合不當，也可能引發(fā)引腳分層比例偏大。同時，在測試過程中，由于熱應力、電流脈沖的影響，以及靜電損傷，都可能造成電性能參數(shù)的偏移。

綜上所述，由于IGBT在關斷過程中特有的拖尾電流現(xiàn)象，其關斷損耗往往比開通損耗要大。不過，實際的損耗情況還取決于具體的電路條件、工作頻率、負載特性以及IGBT的具體型號等因素。在設計和應用中需要根據(jù)實際情況進行精確的分析和計算。