功率循環(huán)VS功率循環(huán)

針對應(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。

圖1 焊接鍵合型功率半導(dǎo)體

圖2 壓接型IGBT

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)的熱波動使得鍵合線由于熱膨脹而產(chǎn)生微小移動。長遠(yuǎn)來看，這些移動會導(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)時間延長，結(jié)構(gòu)中各個部件會發(fā)熱，由于每一層的熱膨脹系數(shù)不同，會導(dǎo)致機(jī)械應(yīng)力的產(chǎn)生。長期來看，機(jī)械應(yīng)力會導(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)。

圖3 PC曲線，壓接型器件

圖4 PC曲線，焊接鍵合型器件

觀察圖表中80K溫度波動下的循環(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。

1 壓接型器件真的過早失效嗎？

經(jīng)驗(yàn)表明，這種情況不會發(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有反映這一點(diǎn)呢？

乍一看確實(shí)沒有，但若深入研究就會發(fā)現(xiàn)測試邊界條件不同。

焊接鍵合型模塊的功率循環(huán)通過施加1.5 秒持續(xù)脈沖來實(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，因此一個循環(huán)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(dá)幾百克，幾乎不會在幾秒鐘內(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，整個周期持續(xù)5 分鐘。

因此， 使用焊接鍵合技術(shù)在80 K 波動下進(jìn)行100,000 次循環(huán)操作需耗時300,000 秒，相當(dāng)于83 小時或三天多一點(diǎn)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(huán)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(xiàng)例行測試，可確保器件滿足最低要求但并不意味著產(chǎn)品已達(dá)到壽命時間，100% 的壓接型器件都需要達(dá)到這個結(jié)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(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，這種情況下的測試結(jié)果僅限于95% 的測試部件。100% 的測試曲線通常比壽命結(jié)束時的曲線低一個數(shù)量級。

因此，壓接型器件的PC 曲線是極其保守的表述。

2 為什么制造商不為壓接型器件提供“測試失敗”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，并且不會由于施加負(fù)載而現(xiàn)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(shù)量級。即使在160 K 的溫度波動下壓接型器件不是承受2000 次的循環(huán)測試，而是高出兩個數(shù)量級，相當(dāng)于200,000 次循環(huán)，這將使得測試持續(xù)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(diǎn)，因此需要在60 K 和100 K 的溫度波動下進(jìn)行額外的測試。

對于60 K 的溫度波動，曲線上顯示需要100,000次循環(huán)，那么再多一個數(shù)量級就意味著100 萬次循環(huán)、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1.5 kW 的功率，一個器件則需要相當(dāng)于不低于30 kW的測試功率。測試在高溫下進(jìn)行，目標(biāo)是通過加速手段達(dá)到實(shí)際的壽命時間，但這反應(yīng)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(xiàn)任何損壞之前，測試設(shè)備本身就因電源循環(huán)而出現(xiàn)失效。

3 這對設(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。

綜合來看，緩解效應(yīng)意味著經(jīng)典的“功率循環(huán)”失效機(jī)理不會對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 個小時。

作者簡介：

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)電動商用車的功率半導(dǎo)體、充電基礎(chǔ)設(shè)施、儲能系統(tǒng)和工業(yè)驅(qū)動技術(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 高級會員。

（本文來源于《EEPW》2024.6）