本文档属于类型b（综述类论文），以下为针对该文档的学术报告：

作者与机构
本文由Ahmed Abuelnaga（IEEE学生会员，加拿大麦克马斯特大学电气与计算机工程系）、Mehdi Narimani（IEEE高级会员，同属麦克马斯特大学）及Amir Sajjad Bahman（IEEE高级会员，丹麦奥尔堡大学可靠电力电子中心CORPE）共同撰写，发表于2021年1月的《IEEE Access》期刊（DOI: 10.1109/ACCESS.2021.3049738），研究主题为IGBT（绝缘栅双极型晶体管）模块的失效模式与寿命测试。

主题与背景
IGBT模块作为电力电子转换器的核心部件，广泛应用于汽车、航空航天、能源等领域，但其长期可靠性受多种失效模式威胁。本文系统综述了IGBT模块的失效机制、加速寿命测试方法及可靠性建模，旨在为设计高可靠性电力电子系统提供理论依据。

主要观点与论据

1. IGBT模块的失效模式分类及机理
- 芯片相关失效：
- 过应力失效：包括栅极过压（gate overvoltage）、集电极-发射极过流（overcurrent）等，可导致键合线断裂或芯片烧毁。例如，图6a-c展示了因过压、过流及热失控导致的金属化层熔毁现象。
- 磨损失效：如时间依赖性介电击穿（TDDB）和电化学迁移（electro-chemical migration），后者在高温高湿环境下会加剧漏电流（图6i）。
- 封装相关失效：
- 热机械疲劳：因材料热膨胀系数（CTE）不匹配导致键合线脱落（图6g）、焊层裂纹（图9b）等问题。实验数据表明，温度循环频率与焊层蠕变（creep）速率呈正相关。
- 腐蚀与电迁移：工业环境中湿气和化学物质会加速键合线腐蚀（图6f）及铝金属化层重构（图9c）。

2. 热应力对失效的加速作用
- 温度梯度与热路径：IGBT芯片的开关损耗导致结温波动（ΔTj），通过热路径传递至封装各层（图7）。高频温度波动在芯片附近幅度更大，而低频波动均匀分布（图8）。
- 失效模式交互：例如，键合线退化会增大导通电阻（Vce,sat），进而加剧结温波动，形成正反馈循环（图9a-f）。文献[77]通过对比不同控制策略（恒导通时间vs恒ΔTj）验证了这一机制。

3. 加速寿命测试方法
- 测试平台：
- 直流测试（DC-PCT）：通过周期性通断电流模拟热循环，监测Vce,sat和热阻（Rth）作为退化指标（图12）。其优点是操作简单，但仅考虑导通损耗。
- 交流测试（AC-PCT）：更接近实际工况，可同时模拟开关与导通损耗，但复杂度高（表3）。
- 寿命模型：
- 经验模型：如LESIT模型和CIPS2008模型，通过ΔTj、Tjmax等参数预测循环寿命（表5）。但需注意失效模式主导性差异（如焊层疲劳与键合线退化的竞争关系）。
- 物理模型：基于有限元分析模拟应力应变，但难以处理复杂工况（图17）。

4. 失效模式分离技术
- 材料对比实验：采用无铅焊料（Pb-free）与银烧结（Ag-sintering）技术的模块显示更高寿命（图18-19）。例如，银烧结模块在ΔTj=110°C时寿命延长40%。
- 结构函数分析：通过瞬态热阻抗识别失效位置（图13-14），如测试1中焊层退化（图23a）与测试2中键合线断裂（图23c）的差异。

意义与价值
1. 学术价值：全面梳理了IGBT失效的物理机制，提出失效模式分离的必要性，为可靠性研究提供方法论框架。
2. 工业应用：指导电力电子系统设计，如优化封装材料（如AlN陶瓷基板）和加速测试方案，以匹配30-40年的目标寿命需求。
3. 未来方向：需开发兼顾精度与复杂度的混合寿命模型，并推动AC-PCT标准化以验证DC-PCT数据的适用性。

亮点
- 多维度分析：从芯片级失效到系统级交互作用，结合实验数据与理论模型。
- 技术前沿：评述了.xt技术（铜键合）和SKiM技术（无基板设计）等新型封装方案（第II.B节）。
- 批判性观点：指出传统线性累积损伤模型（如Miner法则）在非对称载荷下的局限性（表6）。