功率半导体模块的功率循环

作者: Martin Schulz, Littelfuse全球首席应用工程师

针对应用于2兆瓦范围的电力电子系统，当下关注的焦点是采用何种技术以及具有多久的生命周期。

常见的功率半导体模块有两种，一种是传统的焊接键合型功率半导体模块，另一种是具有相同额定功率的压接型功率半导体模块，如图1、图2所示。

预期使用寿命主要由功率循环（PC）进行验证。半导体中的电流变化会导致组装和连接产生温度偏差，上电最初几秒内的热波动使得键合线由于热膨胀而产生微小移动。长远来看，这些移动会导致诸如键合线脱落或在键合点断裂的缺陷。

如果脉冲持续时间延长，结构中各个部件会发热，由于每一层的热膨胀系数不同，会导致机械应力的产生。长期来看，机械应力会导致键合层的分解和分层。最终，接触热阻增加，器件因发热而失效。

压接型结构无需键合线，且不存在大面积焊线，因此，与焊接型结构相比，压接型IGBT理应能允许更多次的功率循环。

然而，图3和图4中相应曲线的比较最初似乎反驳了这一点。

观察图表中80K温度波动下的循环次数，压接型器件是30,000次循环而焊接键合型模块是200,000次循环，为压接型器件的六倍之多。

压接型器件真的过早失效吗？

经验表明，这种情况不会发生。有些配备了压接型晶闸管的系统运行几十年并未发生失效，但是图表曲线为什么没有反映这一点呢？

乍一看确实没有，但若深入研究就会发现测试边界条件不同。

焊接键合型模块的功率循环通过施加1.5秒持续脉冲来实现。通电后焊接线处产生的较小热量使得芯片达到所需温度，断电后1.5秒内再次冷却回到初始温度，因此一个循环的时间为3秒。

压接型器件的热容量由与其接触的固体金属板决定，这些铜盘通常重达几百克，几乎不会在几秒钟内产生温升。将器件加热到所需温度的典型循环周期是导通3分钟，冷却2分钟，整个周期持续5分钟。

因此，使用焊接键合技术在80K波动下进行100,000次循环操作需耗时300,000秒，相当于83小时或三天多一点的时间。相比之下，压接型器件每5分钟一个周期，共100,000个周期的循环测试，需要耗时347天。

另一值得注意的是：压接型器件的曲线显示“测试通过”是一项例行测试，可确保器件满足最低要求但并不意味着产品已达到寿命时间，100%的压接型器件都需要达到这个结果。

相比之下，焊接键合模块的PC曲线显示“测试失败”，则意味着在此循环次数下器件已达到了使用寿命。根据标准规范，这种情况下的测试结果仅限于95%的测试部件。100%的测试曲线通常比寿命结束时的曲线低一个数量级。

因此，压接型器件的PC曲线是极其保守的表述。

为什么制造商不为压接型器件提供“测试失败”曲线呢？

经验表明，压接型器件几乎不受功率循环的影响，并且不会由于施加负载而现场失效。因此，“通过测试”曲线肯定比“失败测试”曲线低至少2个数量级。

即使在160K的温度波动下压接型器件不是承受2000次的循环测试，而是高出两个数量级，相当于200,000次循环，这将使得测试持续时间为100万分钟，约近700天。由于绘制曲线需要至少两个或三个测量点，因此需要在60K和100K的温度波动下进行额外的测试。

对于60K的温度波动，曲线上显示需要100,000次循环，那么再多一个数量级就意味着100万次循环、500万分钟或近10年的测试周期。

此外，这些测试中每个子单元至少需要1.5kW的功率，一个器件则需要相当于不低于30kW的测试功率。测试在高温下进行，目标是通过加速手段达到实际的寿命时间，但这反应出另一个困难。测试中的失效并没有影响压接型器件，在测试器件出现任何损坏之前，测试设备本身就因电源循环而出现失效。

这对设计意味着什么？

电力电子学中，功率循环主要与焊接键合的失效有关，但是压接型封装结构不存在此失效机理。此外，压接型器件的大热容意味着半导体的升温速度要慢得多，双面冷却也减少了相同功率下的温度波动。

综合来看，缓解效应意味着经典的“功率循环”失效机理不会对压接型器件的寿命产生影响，这也是该设计应用于铁路、船舶推进系统和电解工厂的原因之一。这些应用中，20年内的使用寿命预计可达160,000个小时。

作者简介

Martin Schulz博士于2021年2月加入Littelfuse，担任全球首席应用工程师。他负责电动商用车的功率半导体、充电基础设施、储能系统和工业驱动技术。他是功率半导体封装和互连技术以及功率半导体热管理方面的专家。Martin Schulz在电力电子领域拥有20多年的经验，是IEEE高级会员。