電力電子器件失效機理及其壽命預測研究

楊書明，蔣知明，曾 鏢

（荊楚理工學院電子信息工程學院，湖北 荊門 448000）

0 引言

近年來，電力電子裝置在工業(yè)各個領(lǐng)域得到了廣泛應用，如新能源發(fā)電、交直流輸配電系統(tǒng)、軌道交通以及電動汽車領(lǐng)域[1]。出于經(jīng)濟成本和安全角度的考慮，如何保證電力電子設(shè)備及其系統(tǒng)的可靠性成為了當前關(guān)注的重點。以光伏發(fā)電系統(tǒng)為例，電力電子設(shè)備的低可靠性不僅使得發(fā)電效率降低，還會增加系統(tǒng)的維護成本，進而增加其發(fā)電成本，削減其市場競爭力。同樣的問題在各類風力發(fā)電廠中也存在。在廣泛應用電力電子設(shè)備的動車領(lǐng)域和航空航天領(lǐng)域，一旦發(fā)生設(shè)備故障就可能危及人的生命并造成巨大的財產(chǎn)損失。因此，許多解決電力電子設(shè)備及其系統(tǒng)可靠性問題的方法早已提出，并經(jīng)過了多年的深入研究。主流相關(guān)研究領(lǐng)域包括可靠性的標準評估、具有冗余組件的容差拓撲結(jié)構(gòu)研究、壽命預測和健康管理以及狀態(tài)監(jiān)測、利用先進材料進行具有高可靠性電力電子設(shè)備的設(shè)計。本文主要針對電力電子器件的失效機理和壽命預測方法進行介紹，探討了電力電子器件在發(fā)展中存在的挑戰(zhàn)和機遇，旨為相關(guān)研究提供參考。

1 電力電子器件的失效機理

目前，對電力電子器件的失效機理研究通常分為兩類，即與芯片相關(guān)的內(nèi)部故障失效和與封裝相關(guān)的外部故障失效。內(nèi)部故障失效主要與電氣過應力有關(guān)，即高電流和高電壓。外部故障失效通常是由熱機械過應力引起的。而不同材料之間的熱膨脹系數(shù)（Coefficients of Thermal Expansion，CTE）的不匹配是引起封裝相關(guān)故障的根本原因。盡管采用管芯連接、鍵合線材料以及先進的碳化硅（SiC）電源模塊等新材料和新技術(shù)會大大提高器件的可靠性，將許多故障誘因最小化甚至消除，但這些新材料和新技術(shù)仍處于發(fā)展階段，亦存在價格過高的問題。以SiC模塊晶片為例，SiC金屬氧化物半導體場效應晶體管（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET）的柵極氧化物層非常脆弱，其承受的電場強度可能達到同類額定Si器件的3倍左右。因此，傳統(tǒng)的電力電子器件仍可能在未來較長的一段時期內(nèi)占據(jù)市場。

1.1 芯片相關(guān)失效機理

1）介電擊穿。介電擊穿是由于累積缺陷導致的柵極氧化物退化而導致的（Time-Dependent Dielectric Breakdown，TDDB）。介電擊穿有3種失效機制，即碰撞電離、高電場下的陽極空穴注入、工作電壓條件下產(chǎn)生的陷阱。當設(shè)備遭受嚴重的電或熱應力時，會發(fā)生急性和嚴重的介電擊穿。在介電擊穿現(xiàn)象發(fā)生后，在MOSFET中可發(fā)現(xiàn)柵極電流的升高和漏極電流的降低現(xiàn)象。

2）閂鎖效應。閂鎖效應在絕緣柵雙極型晶體管（Insulated-Gate Bipolar Transistors，IGBT）和MOSFET中都可能發(fā)生。如果未及時消除閂鎖效應，則任何一個高電平電流的出現(xiàn)都有可能破壞設(shè)備。一般來說，當電壓相對于時間變化率較高時，便會造成MOSFET和IGBT的閂鎖現(xiàn)象。此外，若IGBT在高溫下工作，也可能導致閂鎖現(xiàn)象的出現(xiàn)。

3）電遷移。電遷移的定義是指由硅互連中的高電流密度引起的金屬遷移。金屬連接之間形成的空隙，會導致電阻增大，甚至導致斷路故障的發(fā)生。

1.2 封裝相關(guān)失效機理

功率模塊廣泛應用于大功率的用電設(shè)備中，故現(xiàn)有的研究中大多是針對在大功率用電設(shè)備中功率模塊的失效機理。以IGBT功率模塊為例，其通常以多層結(jié)構(gòu)構(gòu)建，如圖1所示。其主要由芯片、直接覆銅（Direct Bonded Copper，DBC）陶瓷基板和底板構(gòu)成，層間通過焊料焊接[2]。

圖1 IGBT結(jié)構(gòu)示意圖

鍵合線通常用于連接不同的芯片并實現(xiàn)內(nèi)部芯片與外部電路的連接。下面介紹兩種失效機理：

1）鍵合線失效。鍵合線失效進一步分為兩種：焊線剝離和焊線腳跟開裂。鍵合線剝離的主要原因是Si和Al接觸區(qū)域之間的CTE不匹配。在溫度循環(huán)期間，導線和器件之間會產(chǎn)生裂紋，最終導致鍵合線脫落。斷裂疲勞被認為是造成鍵合線腳跟開裂主要原因。當器件經(jīng)受溫度循環(huán)時，鍵合線頂部的位移循環(huán)會造成彎曲角的交替現(xiàn)象。

2）焊料疲勞。如圖1所示，在典型的電源模塊中通常有兩層焊接層。一層在Si芯片和DBC之間，另一層在DBC和底板之間。DBC和底板之間較大的CTE不匹配使其更容易受到焊接疲勞的影響。溫度和功率循環(huán)會焊接附著層中產(chǎn)生空隙和裂紋，隨著溫度循環(huán)的升高，這一現(xiàn)象會更加嚴重。空隙會導致熱阻抗的增加，導致溫度升高加速空隙的形成。換言之，芯片溫度與空隙的形成呈正相關(guān)。最終，過多熱量的聚集會對器件造成嚴重的損害。而過熱可能是造成閂鎖的根本原因。因此，與封裝相關(guān)的故障有時會導致與芯片相關(guān)的故障。

2 壽命預測方法

壽命預測是一項研討設(shè)備在規(guī)定的運行工況下能夠安全運行多長時間的工作[3]。當前，電力電子器件的壽命預測方法模塊主要有兩種。1）基于失效機理的預測方法。盡管到目前為止的研究已經(jīng)對各種失效機理有了較深的認識，但是現(xiàn)有的壽命預測模型還是主要集中在與封裝相關(guān)的失效機理。2）基于故障前兆參數(shù)的預測方法。該方法是故障預測與健康管理（Progn-ostics Health Management，PHM）方法的重要組成部分，且已經(jīng)應用在各類預測軟件中以提供器件剩余使用壽命（Remaining Use-ful Life，RUL）的預測。相較于第一種方法，該方法提供了以分鐘、天等實時單位的，較為準確的剩余可用時間，而不是僅為壽命預測提供失效點的循環(huán)數(shù)。

2.1 基于失效機理的壽命預測

現(xiàn)有模型的預測主要基于兩種失效機理，即鍵合線失效和焊料疲勞[4]。而每種失效機理的模型并不是互斥的，因為這兩種失效機理都是源于接觸區(qū)域中的CTE不匹配。該類預測模型可以分為兩類：經(jīng)驗模型和基于物理失效模型（Physics of Failure，PoF）。該類預測模型中的多數(shù)是以結(jié)溫擺動（△Tj）和平均結(jié)溫（Tm）等參數(shù)建立關(guān)于失效周期（Nf）的函數(shù)。通常鍵合線失效發(fā)生在鍵合接口處或鍵合跟處。對于焊料疲勞而言，往往用焊料處的損壞程度的臨界點來定義，若超過了損壞臨界點，則表明出現(xiàn)了焊料疲勞失效。

2.2 實時生命周期估算

基于經(jīng)驗模型和PoF模型，可以對實際應用中的電力電子器件進行壽命預測或退化水平評估。在進行檢測實驗和仿真分析中，溫度量比機械量（塑性應變）更容易獲取。諸如塑性應變和應變應力等參數(shù)通常通過熱機械有限元分析（Finite element analysis，F(xiàn)EA）獲得，F(xiàn)EA不僅需要器件的溫度曲線，且還需要獲取器件的特性參數(shù)和器件幾何形狀。換言之，PoF模型相較于經(jīng)驗模型而言，需要更多的仿真實驗來獲取器件的各類參數(shù)。經(jīng)驗模型直接利用器件溫度估計失效點的循環(huán)數(shù)，但無論是經(jīng)驗模型還是PoF模型都僅考慮了特定條件，即固定的平均結(jié)點溫度和溫度擺幅，而功率模塊的負載曲線會隨時間變化。為了解決這個問題，引入Miner’s法則對其進行解釋，Miner’s法則表明破壞效果可以線性累積，一般形式下的Miner’s法則如下式所示：

其中，LC是已消耗的器件壽命百分比，nk是某個工作點的實際周期，Nfk是工作點的實效周期。為獲取在某個工作點獲得nk值，需要利用周期計數(shù)法從器件的溫度歷史記錄中提取有用的信息。而雨流計數(shù)法則是使用最廣泛的一種周期計數(shù)法[5]。針對相同溫度曲線，使用不同的周期計數(shù)法，結(jié)果會略有不同，從而導致壽命預測結(jié)果的偏差。因此，選擇適當?shù)闹芷谟嫈?shù)方法有助于提高估計精度。然而，在現(xiàn)有研究中，對各種周期計數(shù)法的使用仍缺乏明確的應用場景規(guī)定。

3 結(jié)語

基于電力電子器件的失效機理進行其壽命預測具有很好的實用價值，其發(fā)展前景仍是機遇和挑戰(zhàn)并存。如在大多數(shù)情況下，加速老化試驗仍然是針對單一的失效模式來進行的，柵極氧化層退化，閂鎖、短路、鍵合線疲勞等，而并非多重的失效模式。然而在器件實際的老化過程中，導致其失效原因往往有多種，如何能在進行老化試驗中同時模擬多種因素的影響是未來值得研究的課題。此外，在許多實際應用中，所有故障前兆參數(shù)并不能無法準確獲取，從而限制了其壽命預測工作的進行。而一些新型材料的出現(xiàn)，如超寬帶半導體，給當前的研究提供了新的課題，針對其可靠性的研究是未來研究的熱點。