在電力電子技術的早期，使用壽命的評估僅限于最大負載條件和寬松的裕量。今天，通過對反映負載和冷卻系統動態特性的專用任務配置進行評估來估計電力電子系統的使用壽命。這種方法提高了預測質量，但它需要更好且更精細的使用壽命模型。本文將介紹如何推導先進功率模塊的使用壽命模型。
Uwe Scheuermann, Semikron Elektronik GmbH & Co. KG, Nuremberg, Germany
在本世紀初，對功率半導體拓展最高結溫至150°C以上的需求得到了越來越多的關注，這主要是由三大因素驅動：混合動力電動汽車的高冷卻液溫度、寬帶隙器件運行在更高溫度下的潛力以及硅器件在高達200℃結溫下運行時的增強電流能力。這需要顯著地增加組件的使用壽命，因為組件必須在擴展結溫下滿足相同的使用壽命期望以被應用接受。作為一個經驗法則，根據確切的運行條件和所采用的壽命模型，最高結溫每升高25℃需要使用壽命增加5倍，因而對于200°C的最高結溫來說，使用壽命需要增加25倍。
過去十年的技術發展開發出了具有達到這一目標潛力的改進互連技術。銀擴散燒結和瞬態液相擴散焊是取代傳統焊料焊接芯片的候選技術。與傳統鋁綁定線相比，銅綁定線或者鋁包銅綁定線正顯著增強頂面芯片觸點的使用壽命。
當這種改進的技術隨著首次使用壽命測試結果一起被介紹來證明其潛力時，使用壽命模型一致性的要求被提出以評估對基于任務配置的具體應用的優勢。然而，產生實驗數據以建立一個新的用于改進技術的使用壽命模型，需要一個來自可控的批量生產的測試對象和多年的壽命測試。
下面的討論將提出一個用于名為SKiM63先進功率模塊的功率循環使用壽命模型。此模塊于2008年推向市場·，是100%的無焊接設計[1]。硅芯片通過銀擴散燒結于DBC基板上，從而消除了焊料疲勞。芯片的頂層連接通過300μm的帶改進線弧的鋁綁定線連接。重型鋁綁定線上的機械疲勞試驗已經表明增加的長寬比會帶來使用壽命的增加，長寬比是綁定線弧高度與綁定線焊腳之間距離的比率[2]。然而，這種改進的潛力會受到經典模塊設計中焊料疲勞的限制[3]。
SKiM63模塊的設計是基于壓接技術，因此不包含底板。這一特性通過消除陶瓷基板與底板之間的應力改善了溫度循環能力。在雙試驗箱中進行的-40°C ～125°C溫度循環試驗已證實了該模塊具有超過1000個周期的循環能力[4]。無底板設計也消除了基板和底板之間在有源功率循環期間的潛在疲勞。負載的連接以母排的形式采用多點壓接，同時在基板和散熱器之間建立電氣連接和熱連接。控制信號和輔助信號通過彈簧連接發送至基板。SKiM63的分解圖如圖1所示。
SKiM63模塊被選出為帶有頂部鋁綁定線連接的燒結器件建立第一個實證的功率循環壽命的模型。由于完全消除了焊錫疲勞，只有出現了綁定線跟部龜裂和綁定線脫離才視為故障模式。對于一個一致的使用壽命模型，必須調查功率循環試驗的所有重要參數。參數的變化可以模擬它們在實際應用中對使用壽命的影響。
從首個使用壽命模型可知，在功率循環期間，溫度擺動的幅度對組件壽命有顯著的影響。然而，器件觸點的退化會影響熱阻和/或電阻，從而可能導致測試過程中溫度擺動增大。因此，控制策略對評價測試結果來說是非常重要的[5]。一些作者提出控制試驗條件以保持恒定的損耗或甚至恒定的溫度擺動。由于對大多數應用來說，這些控制策略是不相關的，這里所展現的所有功率循環試驗是在恒定電流脈沖及恒定脈沖寬度ton和暫停寬度toff條件下進行的。溫度擺動的特征值總是在平穩熱條件達到后在試驗開始階段獲得。在功率循環試驗程序中，溫度擺動ΔTj在64K和113K之間是變化的，通過實驗觀察到的無故障周期數nf在31000和770萬之間（圖2）。
平均結溫Tjm=Tj,min+ΔTj/2在32.5°C和122°C之間變化來調查Arrhenius定律的影響（圖3）。應當指出，也在0℃以下的最低結溫進行了一些測試以涵蓋冷啟動情況下的效果。鋁綁定線的長寬比選擇在0.19和0.42之間，以分析綁定線尺寸優化的潛力（圖4）。應當強調的是，SKiM63模塊的設計參數是長寬比為0.31。圖5中標示了范圍在70ms至63s之間的功率脈沖寬度ton的范圍。幅度近3個數量級的變化顯示了本次調查對此參數的特別關注。
共計97個功率循環試驗的結果被用作推導SKiM63模塊使用壽命模型的數據庫，其中88項測試在IGBT上進行，剩余9項測試對二極管上進行（圖2-5藍色圓圈所示）。收集這些數據庫的測試時間長達5年。
使用壽命模型的一般形式是基于眾所周知的LESIT模型[6]，該模型以基本縮放因子A、反映溫度波動ΔTj影響的Coffin-Manson定律和反映平均結溫Tjm 影響的Arrhenius定律來決定無故障周期數nf。兩個附加的新因素被添加到模型中以考慮綁定線長寬比ar和電源脈沖持續時間ton的影響。早期研究表明，較高的綁定線弧的優點是更小的溫度擺動，從而使該參數的指數被認為是溫度擺動的線性函數。功率脈沖寬度ton的影響由一個函數來描述，隨脈沖寬度增加而趨近于一個漸近值，但對于短的（～1s）和非常短（?0.1秒）的脈沖寬度，則體現為周期數量的越來越大。
最后，增加了一個因素以考慮IGBT和二極管測試之間所發現的差異。正如Bayerer等人在CIPS2008模型已經報告的那樣[7]，器件的電壓等級對功率循環使用壽命會產生影響。這實際上是歸因于用于不同電壓等級的硅器件的厚度。在實驗數據庫中，器件為厚度120 μm 的1200V 英飛凌IGBT與厚度為260μm的1200V CAL二極管一起使用。根據CIPS2008模型，器件厚度從120 μm增加到260μm將導致壽命減少至原先的59%。 由實驗確定的約為0.62的二極管因子非常符合這一預測。但是，由于測試數據庫中沒有考慮器件厚度的進一步變化，所以只在二極管測試中應用了簡單的縮放因子。
SKiM63使用壽命模型的系數通過實驗測試數據集進行最小二乘擬合得到的，結果如表1所示。圖6給出了實驗結果和模型預測的對比。圖6中，SKiM63使用壽命模型對每個測試參數組的預測按無故障周期數增遞來排序，并與實驗結果一起顯示。正如對最小二乘擬合過程所預期的那樣，有些實驗結果比預測壽命高，有些比預測壽命低。因此，最終的SKiM63使用壽命模型增加了一個附加的裕量因子0.8。正如文獻[8]中所詳細討論的那樣，該裕量因子代表15%的模塊失效率或85%的存活率。
表1：SKiM63壽命模型參數
圖7中顯示了SKiM63特征壽命曲線。結合0.8的裕量因子和0.31的綁定線長寬比，無故障周期數nf 被表示為不同功率脈沖寬度ton下溫度擺動ΔTj的函數。
現在這種新壽命模型可以為專用任務配置計算估計壽命。因此有必要在已測試參數變化區間之外推斷更小溫度擺動下的使用壽命曲線。這對于功率模塊來說是個普遍的問題，因為電力電子應用都要求超過20年的使用壽命。我們必須了解，這樣的外推不能通過實驗來驗證。即使今天為這樣的參數組合開始進行一項功率循環測試，二十年后得到的測試結果就只能被當作歷史了，因為那個時候可能已經無法得到了這些功率器件了。經驗模型的這種一般限制只能由基于物理學的疲勞模型來解決，這種疲勞模型可被用來驗證應力減少下壽命的相對延長。
從圖7可以估算平均結溫為115℃時，SKiM63模塊在110K的溫度擺動下的使用壽命，即溫度在60℃至170℃之間的擺動。對于1s的功率脈沖寬度，我們得到5.8x104次的無故障周期，對于10s的功率脈沖寬度，我們仍然可以期待3.6x104次的無故障周期。對于采用銅底板、焊接芯片和未經優化鋁綁定線的經典工業模塊，無故障周期預計為3.5x103。該比較表明，SKiM63模塊適用于高達175℃的結溫。
對于最高結溫增加至200℃，芯片頂側連接的進一步的改進是必需的。銅綁定線或鋁包銅綁定線，燒結銅片連接是潛在的候選項，這些技術已經在首次演示試驗中證明了自己的潛力。不過，今天還沒有采用這些技術的系列產品。這將需要幾年的時間來進行功率循環測試，為最高結溫達200℃的功率模塊建立一個一致的使用壽命模型。
