功率循環(huán)VS功率循環(huán)

針對應用于2 兆瓦范圍的電力電子系統，當下關(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(jiàn)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(huán)（PC）進(jìn)行驗證。半導體中的電流變化會(huì )導致組裝和連接產(chǎn)生溫度偏差。上電最初幾秒內的熱波動(dòng)使得鍵合線(xiàn)由于熱膨脹而產(chǎn)生微小移動(dòng)。長(cháng)遠來(lái)看，這些移動(dòng)會(huì )導致諸如鍵合線(xiàn)脫落或在鍵合點(diǎn)斷裂的缺陷。

如果脈沖持續時(shí)間延長(cháng)，結構中各個(gè)部件會(huì )發(fā)熱，由于每一層的熱膨脹系數不同，會(huì )導致機械應力的產(chǎn)生。長(cháng)期來(lái)看，機械應力會(huì )導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。

壓接型結構無(wú)需鍵合線(xiàn)，且不存在大面積焊線(xiàn)，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(huán)。

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

圖3 PC曲線(xiàn)，壓接型器件

圖4 PC曲線(xiàn)，焊接鍵合型器件

觀(guān)察圖表中80K溫度波動(dòng)下的循環(huán)次數，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(guò)早失效嗎？

經(jīng)驗表明，這種情況不會(huì )發(fā)生。有些配備了壓接型晶閘管的系統運行幾十年并未發(fā)生失效，但是圖表曲線(xiàn)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)現測試邊界條件不同。

焊接鍵合型模塊的功率循環(huán)通過(guò)施加1.5 秒持續脈沖來(lái)實(shí)現。通電后焊接線(xiàn)處產(chǎn)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(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(pán)通常重達幾百克，幾乎不會(huì )在幾秒鐘內產(chǎn)生溫升。將器件加熱到所需溫度的典型循環(huán)周期是導通3 分鐘，冷卻2 分鐘，整個(gè)周期持續5 分鐘。

因此， 使用焊接鍵合技術(shù)在80 K 波動(dòng)下進(jìn)行100,000 次循環(huán)操作需耗時(shí)300,000 秒，相當于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)測試，需要耗時(shí)347 天。

另一值得注意的是：壓接型器件的曲線(xiàn)顯示“測試通過(guò)”是一項例行測試，可確保器件滿(mǎn)足最低要求但并不意味著(zhù)產(chǎn)品已達到壽命時(shí)間，100% 的壓接型器件都需要達到這個(gè)結果。

相比之下，焊接鍵合模塊的PC 曲線(xiàn)顯示“測試失敗”，則意味著(zhù)在此循環(huán)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(xiàn)通常比壽命結束時(shí)的曲線(xiàn)低一個(gè)數量級。

因此，壓接型器件的PC 曲線(xiàn)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(xiàn)呢？

經(jīng)驗表明，壓接型器件幾乎不受功率循環(huán)的影響，并且不會(huì )由于施加負載而現場(chǎng)失效。因此，“通過(guò)測試”曲線(xiàn)肯定比“失敗測試”曲線(xiàn)低至少2 個(gè)數量級。即使在160 K 的溫度波動(dòng)下壓接型器件不是承受2000 次的循環(huán)測試，而是高出兩個(gè)數量級，相當于200,000 次循環(huán)，這將使得測試持續時(shí)間為100 萬(wàn)分鐘，約近700 天。由于繪制曲線(xiàn)需要至少兩個(gè)或三個(gè)測量點(diǎn)，因此需要在60 K 和100 K 的溫度波動(dòng)下進(jìn)行額外的測試。

對于60 K 的溫度波動(dòng)，曲線(xiàn)上顯示需要100,000次循環(huán)，那么再多一個(gè)數量級就意味著(zhù)100 萬(wàn)次循環(huán)、500 萬(wàn)分鐘或近10 年的測試周期。

此外，這些測試中每個(gè)子單元至少需要1.5 kW 的功率，一個(gè)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(jìn)行，目標是通過(guò)加速手段達到實(shí)際的壽命時(shí)間，但這反應出另一個(gè)困難。測試中的失效并沒(méi)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(huán)而出現失效。

3 這對設計意味著(zhù)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)，但是壓接型封裝結構不存在此失效機理。此外，壓接型器件的大熱容意味著(zhù)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(dòng)。

綜合來(lái)看，緩解效應意味著(zhù)經(jīng)典的“功率循環(huán)”失效機理不會(huì )對壓接型器件的壽命產(chǎn)生影響，這也是該設計應用于鐵路、船舶推進(jìn)系統和電解工廠(chǎng)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(gè)小時(shí)。

作者簡(jiǎn)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(dòng)商用車(chē)的功率半導體、充電基礎設施、儲能系統和工業(yè)驅動(dòng)技術(shù)。他是功率半導體封裝和互連技術(shù)以及功率半導體熱管理方面的專(zhuān)家。Martin Schulz 在電力電子領(lǐng)域擁有20 多年的經(jīng)驗，是IEEE 高級會(huì )員。

（本文來(lái)源于《EEPW》2024.6）