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(tǒng)，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(tǒng)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(huán)（PC）進行驗證。半導體中的電流變化會導致組裝和連接產(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(xù)時間延長，結構中各個部件會發(fā)熱，由于每一層的熱膨脹系數(shù)不同，會導致機械應力的產(chǎn)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(fā)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(huán)。

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(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。

壓接型器件真的過早失效嗎？

經(jīng)驗表明，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呢？

乍一看確實沒有，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)脈沖來實現(xiàn)。通電后焊接線處產(chǎn)生的較小熱量使得芯片達到所需溫度，斷電后1.5秒內(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，使用焊接鍵合技術在80K波動下進行100,000次循環(huán)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(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(huán)次數(shù)下器件已達到了使用壽命。根據(jù)標準規(guī)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(shù)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(jīng)驗表明，壓接型器件幾乎不受功率循環(huán)的影響，并且不會由于施加負載而現(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160K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，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(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1.5kW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(xiàn)任何損壞之前，測試設備本身就因電源循環(huán)而出現(xiàn)失效。

這對設計意味著什么？

電力電子學中，功率循環(huán)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(jīng)典的“功率循環(huán)”失效機理不會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、船舶推進系統(tǒng)和電解工廠的原因之一。這些應用中，20年內(nèi)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(tǒng)和工業(yè)驅(qū)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(jīng)驗，是IEEE高級會員。