功率循环VS功率循环

  作者:Martin Schulz(Littelfuse 全球首席应用工程师) 时间:2024-06-13来源:EEPW

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。

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图1 焊接键合型功率半导体

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图2 压接型IGBT

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。

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图3 PC曲线,压接型器件

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图4 PC曲线,焊接键合型器件

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。

1 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80 K 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。

2 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160 K 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60 K 和100 K 的温度波动下进行额外的测试。

对于60 K 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1.5 kW 的功率,一个器件则需要相当于不低于30 kW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。

3 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,这也是该必威娱乐平台 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。

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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。

(本文来源于《EEPW》2024.6)

关键词: 202406 功率循环 Littelfuse

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