基于UsS的SiC MOSFET模块键合线状态监测方法

基于Us的SiC MOSFET模块键合线状态监测方法
朱春宇舄闫维忠2,刘永革2
（1.中国矿业大学，电气与动力工程学院，江苏徐州221000；
2.开滦能源化工股份有限公司，河北唐山063000）
摘要：针对大功率碳化硅（SiC）金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）模块内部键合线健康问题，分析了键合线发生老化和失效的根本原因，讨论了键合线寄生阻抗及其变化对模块内部电流分布的影响，给出了稳态工况下电流分布的数学模型。

最后，提出了一种基于关断瞬态辅助源极s与功率源极S间感应电压的键合线健康状态监测方法，搭建了模块老化的实验平台。

实验结果表明，感应电压随着键合线老化而逐渐增大，当发生芯片级失效时，感应电压的变化较为明显，验证了所提方法的正确性。

关键词：金属氧化物半导体场效应晶体管；碳化硅；键合线老化；状态监测
中图分类号：TN32文献标识码：A文章编号：1000-100X（2020）10-0021-03
Method for Monitoring Bonding Wire State of SiC MOSFET Module Based on
ZHU Chun-yu1,YAN Wei-zhong2,LIU Yong-ge2
(1.China University of Mining and Technology,Xuzhou221000,China)
Abstract:Aiming at the health problems of the bonding wires inside the high-power silicon carbide(SiC)metal oxide semiconductor field effect transistor(MOSFET)module,the root causes of aging and failure of the bonding wires are analyzed.The influence of the parasitic impedance of the bonding wires and their changes on the current sharing char­acteristics of the module is discussed.Mathematical model of current sharing characteristics under working conditions is also considered.Finally,a method for monitoring the health of the bonding wire based on the transient voltage between the auxiliary source s and the power source S is proposed,and a dual-pulse experimental platform is established.The experimental results show that transient voltage gradually increases with the bonding wire aging.When chip-level failure occurs,the change of transient voltage is most obvious,which verifies the correctness of the proposed mothod. Keywords:metal oxide semiconductor field effect transistor；silicon carbide；bonding wire aging；condition monitoring
1引言
SiC MOSFET因其驱动功率小、工作频率高、输入阻抗大、导通压降低、耐受功率大等优点被广泛应用于牵引、电动汽车及可再生能源等各个领域—I。

作为功率变换器件，SiC MOSFET模块在进行功率变换时，往往承受着功率循环的冲击，从而导致老化和失效。

工业统计数据显示，由功率半导体器件引起的故障占变换器系统故障的20%。

键合线作为SiC MOSFET模块中最为脆弱的环节，其失效现象尤为突出。

国内外学者对大功率IGBT的状态监测做了大量研究并取得丰硕成果，但对大功率SiC MOSFET模块的状态监测研究还处于起步阶段。

因此，研究大功率SiC MOSFET模块的键合线状态监测方法具有非常重要的意义。

定稿日期：2020-06-29
作者简介：朱春宇（1995-）,男，江苏徐卅人，硕士，研究方向为功率半导体器件可靠性应用。

2键合线失效机理
图1为SiC MOSFET模块剖面图。

CTE为热膨胀系数；DCB为直接敷铜。

图1SiC MOSFET模块剖面图
Fig.1SiC MOSFET module cross-sectional view
SiC MOSFET模块是一个由多层结构、多芯片组成的复合器件。

键合线将SiC MOSFET芯片、反并联二极管与DCB上铜层相连。

在热效应及键合线通电产生的电磁力作用下，键合线的焊点处不断承受剪切应力，最终分别在MOSFET芯片表面、DCB与键合线连接处引起键合线翘起和根部断裂，即键合线老化。

键合线的老化是一个正反馈的
21
过程，局部老化很快引起该处键合线全部脱落失效，从而导致功率芯片不再正常工作，严重威胁模块及变换系统的安全运行“讥
3键合线健康监测方法
SiC MOSFET模块的电路设计较好地实现了功率回路与驱动回路的解耦，提高了器件的运行性能，但并未实现回路的完全解耦。

图2为多芯片并联等效电路。

其中D为芯片功率漏极;S为芯片功率源极；g为栅极;s为辅助源极；V”为第n个并联芯片;Rg,Lg为外部寄生阻抗;/?如厶(X)为内部栅极键合线等效阻抗；/?”'，厶”'为辅助源极键合线等效阻抗；R”L”为芯片功率源极每根键合线的等效阻抗；/?哪上冲为芯片功率源极所有键合线并联等效阻抗。

图2示出某个芯片的辅助源极键合线不仅与该芯片自身的功率源极键合线产生耦合，而且还与除该芯片外的其他芯片的功率源极键合线存在耦合。

当功率键合线发生老化、失效等情况时，寄生参数的变化破坏了电路的对称性，从而改变了各支路的均流特性。

该节着重研究老化、失效对寄生参数和均流特性的影响，并提出了一种利用关断时刻感应电动势心监测SiC MOSFET 键合线健康状态的故障诊断方法。

图2并联等效电路
Fig.2Parallel equivalent circuit
图3为SiC MOSFET稳态工作路径。

Fig.3Steady state working path
健康状态下，各支路键合线等效阻抗相等，即
功率支路达到理想均流。

设22负载总电流则流过每个芯片的漏极电流厶=•••=?”=/圖/n,辅助支路电路完全对称因而其电流分量/1'=/2‘=…=/”'=0。

当外施驱动电压由正开通电压变为负关断电压，根据电压定律，Us由辅助源极以及功率源极键合线阻抗产生的压降组成。

健康状态下，当SiC MOSFET关断时主要由驱动电路产生，该分量持续时间短且与功率端大电流相比很小，因此，在分析中忽略驱动电流影响而近似认为：
Us=心J1+£«；id/i/di(1)仏在波形上表现为关断时刻的电压尖峰。

该电压大小由功率回路的等效阻抗和电流变化率共同决定。

图4给出了稳态下模块阻抗等效网络。

其中支路电流采用电流源等效表示，支路电流满足/,+-+/…=/^0以支路1为例作为老化支路。

电阻为支路1功率源极键合线等效电阻，且根据叠加定理分别解出故障支路及健康支路的稳态阻抗网络分别如图5a,b所示。

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，—
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7?Q Req2Q《eq”Q
O O―¢)
图4稳态下模块阻抗等效网络
Fig.4Steady-state module impedance equivalent network
图5支路的稳态阻抗网络
Fig.5Steady state impedance network of the branch
对于故障支路，当其流过芯片1漏极电流为厶,由分流定律可得其在辅助源极支路的电流分量：人⑴'=5-1)弘/[(欣'+心)+5-1)/?](2)
对于健康支路几同理可得：
Ij'=R』KZ'+RJ(3)式中：z，为辅助端回路的等效阻抗，根据电路定律可得z，= (/?'+RJ(/?+R')/[(R'+心)+(n-2)(R+R')]+R'。

从而可得，第j条支路对于辅助支路1的电流分量为：
/⑹'=(/?'+心)0/[(7?'+心)+5-2)(R+R')](4)根据叠加定律，且除故障支路外，“-1条支路具有对称性，可得到故障支路1辅助端总电流为
：
基于的SiC MOSFET模块键合线坎态监测方法
厶'諾⑴'-5-1)/⑹'=5-1)協/[(加'+心)+ 5-1)7?]-5-1)?久//(彳+心)(5)式中：？'=(/?'+心)/[(/?'+心)+(n-2)(R+R')]。

图6分别为R=Rg及R=8时支路1双脉冲测试的一个脉冲电流波形。

可见，即使支路1键合线的等效电阻增大到无穷大范围(即芯片1功率键合线全部脱落失效)，受负载电感等更大数量级参数的影响，从芯片1漏极来看电流回路的阻抗变化微乎其微，漏极电流几乎不发生变化。

所以，可以认为老化和失效对芯片漏极电流不产生影响，而仅对芯片下方的支路均流产生影响。

则式(5)可以改写为：
厶'仏=(n-l)R/[(nR'+R ai)+(n-l)R]~
5-1)?'阳(7+心)(6)
Fig.6Comparison of healthy and failed drain current
利用Matlab绘制电流比h'/h与R的函数关系，如图7所示。

当R=J时，电路均流效果理想，人'=0,随着R增大，电流比逐渐增大。

根据上述分析可认为人'增大，增大电流通过其他辅助源极键合线均流并最终到达功率端。

从而关断时刻有：〃占=卍人75-1)+厶'd[A7(n-l)]//+/?』厶+/// 5_1)]+厶』[厶+厶'/5-1)]/曲(刀
00.51 1.52 2.53
R/Q
图7人7人与R的函数关系
Fig.7Function relationship of///^and R 式(6),(刀表达了老化情况下待测量%与老化程度的关系。

当老化程度加剧』'增大，而式(7)中％与人'成正比，即心与键合线老化程度成正比关系。

因此可利用%对SiC MOSFET进行状态监测。

特殊情况下，当某芯片键合线全部失效，由图6可知，流过老化芯片的电流几乎不变，电流将通过辅助键合线到达功率端S。

根据上述分析，此时％将迅速增大。

利用此时几的峰值特征即可检测出模块键合线故障并发送到控制单元，从而实现对功率模块的保护。

4实验验证
采用BSM80D12P2C101型SiC MOSFET模块搭建实验平台。

模块采用上、下管结构，上、下管各采用3芯片并联，每个芯片输出为两根键合线并联。

以手动剪断键合线的方式模拟键合线的不同老化状态。

实验结果如图8所示。

Fig.8Experimental waveforms
健康情况下，感应电动势只存在于工作瞬态，多次双脉冲实验下，同一瞬态时刻的峰值稳定，几乎不存在偏差。

当键合线只剪断一根(老化)，即键合线失效程度较轻时，Us与健康状态下的偏差不是很大，此时失效程度不影响模块的正常运行。

随着剪断的数目不断增大，即老化不断加剧，Us 开始出现明显增大，并且在芯片1键合线全部剪断(芯片级失效)时，心幅值增幅最大接近2.5V左右，验证了所提方法的正确性。

5结论
提出了一种基于4的SiC MOSFET模块键合线健康状态监测方法。

分析了键合线老化程度与几的关系。

分析结果表明，键合线老化程度与心关断时刻峰值存在正比关系。

实验结果表明，当键合线老化程度较轻时，心峰值变化程度较低；当键合线老化程度较高时，峰值变化程度较大。

特殊地，当发生芯片级失效时，Us峰值将会出现极大上升，验证了所提方法的正确性。

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