功率半導(dǎo)體模塊的功率循環(huán)

作者: Martin Schulz, Littelfuse全球首席應(yīng)用工程師

針對(duì)應(yīng)用于2兆瓦范圍的電力電子系統(tǒng)，當(dāng)下關(guān)注的焦點(diǎn)是采用何種技術(shù)以及具有多久的生命周期。

常見的功率半導(dǎo)體模塊有兩種，一種是傳統(tǒng)的焊接鍵合型功率半導(dǎo)體模塊，另一種是具有相同額定功率的壓接型功率半導(dǎo)體模塊，如圖1、圖2所示。

預(yù)期使用壽命主要由功率循環(huán)（PC）進(jìn)行驗(yàn)證。半導(dǎo)體中的電流變化會(huì)導(dǎo)致組裝和連接產(chǎn)生溫度偏差，上電最初幾秒內(nèi)的熱波動(dòng)使得鍵合線由于熱膨脹而產(chǎn)生微小移動(dòng)。長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，這些移動(dòng)會(huì)導(dǎo)致諸如鍵合線脫落或在鍵合點(diǎn)斷裂的缺陷。

如果脈沖持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)中各個(gè)部件會(huì)發(fā)熱，由于每一層的熱膨脹系數(shù)不同，會(huì)導(dǎo)致機(jī)械應(yīng)力的產(chǎn)生。長(zhǎng)期來(lái)看，機(jī)械應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致鍵合層的分解和分層。最終，接觸熱阻增加，器件因發(fā)熱而失效。

壓接型結(jié)構(gòu)無(wú)需鍵合線，且不存在大面積焊線，因此，與焊接型結(jié)構(gòu)相比，壓接型IGBT理應(yīng)能允許更多次的功率循環(huán)。

然而，圖3和圖4中相應(yīng)曲線的比較最初似乎反駁了這一點(diǎn)。

觀察圖表中80K溫度波動(dòng)下的循環(huán)次數(shù)，壓接型器件是30,000次循環(huán)而焊接鍵合型模塊是200,000次循環(huán)，為壓接型器件的六倍之多。

壓接型器件真的過(guò)早失效嗎？

經(jīng)驗(yàn)表明，這種情況不會(huì)發(fā)生。有些配備了壓接型晶閘管的系統(tǒng)運(yùn)行幾十年并未發(fā)生失效，但是圖表曲線為什么沒(méi)有反映這一點(diǎn)呢？

乍一看確實(shí)沒(méi)有，但若深入研究就會(huì)發(fā)現(xiàn)測(cè)試邊界條件不同。

焊接鍵合型模塊的功率循環(huán)通過(guò)施加1.5秒持續(xù)脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)。通電后焊接線處產(chǎn)生的較小熱量使得芯片達(dá)到所需溫度，斷電后1.5秒內(nèi)再次冷卻回到初始溫度，因此一個(gè)循環(huán)的時(shí)間為3秒。

壓接型器件的熱容量由與其接觸的固體金屬板決定，這些銅盤通常重達(dá)幾百克，幾乎不會(huì)在幾秒鐘內(nèi)產(chǎn)生溫升。將器件加熱到所需溫度的典型循環(huán)周期是導(dǎo)通3分鐘，冷卻2分鐘，整個(gè)周期持續(xù)5分鐘。

因此，使用焊接鍵合技術(shù)在80K波動(dòng)下進(jìn)行100,000次循環(huán)操作需耗時(shí)300,000秒，相當(dāng)于83小時(shí)或三天多一點(diǎn)的時(shí)間。相比之下，壓接型器件每5分鐘一個(gè)周期，共100,000個(gè)周期的循環(huán)測(cè)試，需要耗時(shí)347天。

另一值得注意的是：壓接型器件的曲線顯示“測(cè)試通過(guò)”是一項(xiàng)例行測(cè)試，可確保器件滿足最低要求但并不意味著產(chǎn)品已達(dá)到壽命時(shí)間，100%的壓接型器件都需要達(dá)到這個(gè)結(jié)果。

相比之下，焊接鍵合模塊的PC曲線顯示“測(cè)試失敗”，則意味著在此循環(huán)次數(shù)下器件已達(dá)到了使用壽命。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，這種情況下的測(cè)試結(jié)果僅限于95%的測(cè)試部件。100%的測(cè)試曲線通常比壽命結(jié)束時(shí)的曲線低一個(gè)數(shù)量級(jí)。

因此，壓接型器件的PC曲線是極其保守的表述。

為什么制造商不為壓接型器件提供“測(cè)試失敗”曲線呢？

經(jīng)驗(yàn)表明，壓接型器件幾乎不受功率循環(huán)的影響，并且不會(huì)由于施加負(fù)載而現(xiàn)場(chǎng)失效。因此，“通過(guò)測(cè)試”曲線肯定比“失敗測(cè)試”曲線低至少2個(gè)數(shù)量級(jí)。

即使在160K的溫度波動(dòng)下壓接型器件不是承受2000次的循環(huán)測(cè)試，而是高出兩個(gè)數(shù)量級(jí)，相當(dāng)于200,000次循環(huán)，這將使得測(cè)試持續(xù)時(shí)間為100萬(wàn)分鐘，約近700天。由于繪制曲線需要至少兩個(gè)或三個(gè)測(cè)量點(diǎn)，因此需要在60K和100K的溫度波動(dòng)下進(jìn)行額外的測(cè)試。

對(duì)于60K的溫度波動(dòng)，曲線上顯示需要100,000次循環(huán)，那么再多一個(gè)數(shù)量級(jí)就意味著100萬(wàn)次循環(huán)、500萬(wàn)分鐘或近10年的測(cè)試周期。

此外，這些測(cè)試中每個(gè)子單元至少需要1.5kW的功率，一個(gè)器件則需要相當(dāng)于不低于30kW的測(cè)試功率。測(cè)試在高溫下進(jìn)行，目標(biāo)是通過(guò)加速手段達(dá)到實(shí)際的壽命時(shí)間，但這反應(yīng)出另一個(gè)困難。測(cè)試中的失效并沒(méi)有影響壓接型器件，在測(cè)試器件出現(xiàn)任何損壞之前，測(cè)試設(shè)備本身就因電源循環(huán)而出現(xiàn)失效。

這對(duì)設(shè)計(jì)意味著什么？

電力電子學(xué)中，功率循環(huán)主要與焊接鍵合的失效有關(guān)，但是壓接型封裝結(jié)構(gòu)不存在此失效機(jī)理。此外，壓接型器件的大熱容意味著半導(dǎo)體的升溫速度要慢得多，雙面冷卻也減少了相同功率下的溫度波動(dòng)。

綜合來(lái)看，緩解效應(yīng)意味著經(jīng)典的“功率循環(huán)”失效機(jī)理不會(huì)對(duì)壓接型器件的壽命產(chǎn)生影響，這也是該設(shè)計(jì)應(yīng)用于鐵路、船舶推進(jìn)系統(tǒng)和電解工廠的原因之一。這些應(yīng)用中，20年內(nèi)的使用壽命預(yù)計(jì)可達(dá)160,000個(gè)小時(shí)。

作者簡(jiǎn)介

Martin Schulz博士于2021年2月加入Littelfuse，擔(dān)任全球首席應(yīng)用工程師。他負(fù)責(zé)電動(dòng)商用車的功率半導(dǎo)體、充電基礎(chǔ)設(shè)施、儲(chǔ)能系統(tǒng)和工業(yè)驅(qū)動(dòng)技術(shù)。他是功率半導(dǎo)體封裝和互連技術(shù)以及功率半導(dǎo)體熱管理方面的專家。Martin Schulz在電力電子領(lǐng)域擁有20多年的經(jīng)驗(yàn)，是IEEE高級(jí)會(huì)員。