【技術文章】功率循環VS功率循環

力特奧維斯Littelfuse 2024-07-02 09:29

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作者:?Martin Schulz,?Littelfuse全球首席應用工程師?

針對應用于2兆瓦范圍的電力電子系統，當下關注的焦點是采用何種技術以及具有多久的生命周期。

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

預期使用壽命主要由功率循環（PC）進行驗證。半導體中的電流變化會導致組裝和連接產生溫度偏差，上電最初幾秒內的熱波動使得鍵合線由于熱膨脹而產生微小移動。長遠來看，這些移動會導致諸如鍵合線脫落或在鍵合點斷裂的缺陷。

如果脈沖持續時間延長，結構中各個部件會發熱，由于每一層的熱膨脹系數不同，會導致機械應力的產生。長期來看，機械應力會導致鍵合層的分解和分層。最終，接觸熱阻增加，器件因發熱而失效。

壓接型結構無需鍵合線，且不存在大面積焊線，因此，與焊接型結構相比，壓接型IGBT理應能允許更多次的功率循環。

然而，圖3和圖4中相應曲線的比較最初似乎反駁了這一點。

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

壓接型器件真的過早失效嗎？?

經驗表明，這種情況不會發生。有些配備了壓接型晶閘管的系統運行幾十年并未發生失效，但是圖表曲線為什么沒有反映這一點呢？

乍一看確實沒有，但若深入研究就會發現測試邊界條件不同。

焊接鍵合型模塊的功率循環通過施加1.5秒持續脈沖來實現。通電后焊接線處產生的較小熱量使得芯片達到所需溫度，斷電后1.5秒內再次冷卻回到初始溫度，因此一個循環的時間為3秒。

壓接型器件的熱容量由與其接觸的固體金屬板決定，這些銅盤通常重達幾百克，幾乎不會在幾秒鐘內產生溫升。將器件加熱到所需溫度的典型循環周期是導通3分鐘，冷卻2分鐘，整個周期持續5分鐘。

因此，使用焊接鍵合技術在80K波動下進行100,000次循環操作需耗時300,000秒，相當于83小時或三天多一點的時間。相比之下，壓接型器件每5分鐘一個周期，共100,000個周期的循環測試，需要耗時347天。

另一值得注意的是：壓接型器件的曲線顯示“測試通過”是一項例行測試，可確保器件滿足最低要求但并不意味著產品已達到壽命時間，100%的壓接型器件都需要達到這個結果。

相比之下，焊接鍵合模塊的PC曲線顯示“測試失敗”，則意味著在此循環次數下器件已達到了使用壽命。根據標準規范，這種情況下的測試結果僅限于95%的測試部件。100%的測試曲線通常比壽命結束時的曲線低一個數量級。

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“測試失敗”曲線呢？

經驗表明，壓接型器件幾乎不受功率循環的影響，并且不會由于施加負載而現場失效。因此，“通過測試”曲線肯定比“失敗測試”曲線低至少2個數量級。

即使在160K的溫度波動下壓接型器件不是承受2000次的循環測試，而是高出兩個數量級，相當于200,000次循環，這將使得測試持續時間為100萬分鐘，約近700天。由于繪制曲線需要至少兩個或三個測量點，因此需要在60K和100K的溫度波動下進行額外的測試。

對于60K的溫度波動，曲線上顯示需要100,000次循環，那么再多一個數量級就意味著100萬次循環、500萬分鐘或近10年的測試周期。

此外，這些測試中每個子單元至少需要1.5kW的功率，一個器件則需要相當于不低于30kW的測試功率。測試在高溫下進行，目標是通過加速手段達到實際的壽命時間，但這反應出另一個困難。測試中的失效并沒有影響壓接型器件，在測試器件出現任何損壞之前，測試設備本身就因電源循環而出現失效。

這對設計意味著什么？

電力電子學中，功率循環主要與焊接鍵合的失效有關，但是壓接型封裝結構不存在此失效機理。此外，壓接型器件的大熱容意味著半導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。

綜合來看，緩解效應意味著經典的“功率循環”失效機理不會對壓接型器件的壽命產生影響，這也是該設計應用于鐵路、船舶推進系統和電解工廠的原因之一。這些應用中，20年內的使用壽命預計可達160,000個小時。

作者簡介

Martin Schulz博士于2021年2月加入Littelfuse，擔任全球首席應用工程師。他負責電動商用車的功率半導體、充電基礎設施、儲能系統和工業驅動技術。他是功率半導體封裝和互連技術以及功率半導體熱管理方面的專家。Martin Schulz在電力電子領域擁有20多年的經驗，是IEEE高級會員。