功率循環VS功率循環

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。

圖1 焊接鍵合型功率半導體

圖2 壓接型IGBT

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。

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。

1 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80 K 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。

2 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160 K 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60 K 和100 K 的溫度波動下進行額外的測試。

對于60 K 的溫度波動，曲線上顯示需要100,000次循環，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1.5 kW 的功率，一個器件則需要相當于不低于30 kW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。

3 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。

（本文來源于《EEPW》2024.6）