晶閘管壽命評估技術(shù)研究

張濤　唐堂　蒼久龍　施海寧　于海洋

摘 要：為了能夠得到有效的晶閘管加速壽命試驗(yàn)方案及其相關(guān)失效數(shù)據(jù)，利用現(xiàn)有的晶閘管壽命評估理論，結(jié)合晶閘管的運(yùn)行狀況及其相關(guān)失效機(jī)理，探索一種更完善的新型晶閘管加速壽命試驗(yàn)方法。通過分析總結(jié)晶閘管主要的失效機(jī)理，提出與晶閘管老化關(guān)系及失效機(jī)理最密切的加速壽命試驗(yàn)方案。

關(guān)鍵詞：晶閘管;失效機(jī)理;壽命評估

中圖分類號：TM621 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）26-0032-03

Discussion on Life Evaluation Technology of Thyristor

ZHANG Tao TANG Tang CANG Jiulong SHI Haining YU Haiyang

（Suzhou Nuclear Power Research Institute， Suzhou Jiangsu 215004）

Abstract： In order to get effective thyristor accelerated life testing scheme and its related failure data， we use the existing thyristor life assessment theory， combined with operation condition of the thyristor and its related failure mechanism， to explore a more perfect new thyristor accelerated life test method. This paper summarizes the main failure mechanism of the thyristor， an accelerated life test scheme is proposed which is closely related to the aging and failure mechanism of thyristors.

Keyword： thyristor;failuremechanism;life evaluation

在現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域中，晶閘管廣泛應(yīng)用于各種電力電子設(shè)備。因此，為提高晶閘管的可靠性，制造商不斷改進(jìn)模塊結(jié)構(gòu)，開發(fā)新型的封裝材料，提高現(xiàn)有工藝水平，以滿足日益新增的各種應(yīng)用系統(tǒng)需求。廣大使用者則更加關(guān)注晶閘管在不同環(huán)境條件下的工作壽命。在正常工作應(yīng)力下，要想得到失效數(shù)據(jù)，需要一個相對較長的時間。所以，很多學(xué)者嘗試探尋晶閘管的老化機(jī)理，針對晶閘管的老化機(jī)理進(jìn)行加速壽命試驗(yàn)，從而在相對較短的時間內(nèi)獲得更多有價(jià)值的失效數(shù)據(jù)[1]。

晶閘管加速壽命試驗(yàn)已有多年研究歷史，主要原理是在晶閘管高于正常工作應(yīng)力的條件下縮短其失效時間，得到較多的失效樣品和失效數(shù)據(jù)進(jìn)行分析[2]。本文在已有的加速壽命試驗(yàn)基礎(chǔ)上改變試驗(yàn)條件，提高加速應(yīng)力，提出更優(yōu)越的晶閘管加速壽命試驗(yàn)方案。

1 晶閘管失效機(jī)理分析

從外界線路對晶閘管的影響來看，由于晶閘管長期工作在復(fù)雜的電路環(huán)境中，流經(jīng)晶閘管的電壓和電流對其產(chǎn)生日積月累的影響，再加上電磁波的干擾，各種負(fù)荷越來越嚴(yán)重，加速了晶閘管的老化，導(dǎo)致其在壽命周期內(nèi)會提前失效。對晶閘管內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，電路的換流由硅芯片完成，而電氣連接、絕緣性能以及散熱優(yōu)良則取決于封裝材料。晶閘管內(nèi)部結(jié)構(gòu)疲勞的積累，加上外部惡劣運(yùn)行環(huán)境的綜合作用，導(dǎo)致其最終失效。綜合以上因素，晶閘管的失效可歸納為封裝失效和芯片失效兩個方面[3]。

1.1 封裝失效

晶閘管的簡化結(jié)構(gòu)如圖1所示。晶管內(nèi)部多層材料的膨脹系數(shù)不一致，致使其在長期的熱循環(huán)與功率循環(huán)沖擊作用下引起焊料層疲勞，甚至造成芯片引線斷裂直至失效。在器件的制造過程中，因生產(chǎn)工藝等造成焊接層與引線之間存在原始裂紋，是加速封裝材料老化的誘因。通過長期的實(shí)踐和調(diào)研發(fā)現(xiàn)，與封裝相關(guān)的失效主要是引線脫落和焊料層疲勞所致。

1.2 芯片失效

芯片是半導(dǎo)體材料的核心部件。芯片失效意味著晶閘管徹底失效。大量的研究表明，與芯片相關(guān)的失效有電氣應(yīng)力、靜電荷釋放和閂鎖效應(yīng)[4]，并認(rèn)為晶閘管的熱機(jī)械疲勞是引起失效的主要原因，可概括為晶閘管的實(shí)際結(jié)溫不能超過其規(guī)定的工作結(jié)溫。半導(dǎo)體瞬時結(jié)溫超過平均結(jié)溫會改變晶閘管復(fù)合速率、內(nèi)部載流子遷移率和門檻電壓等參數(shù)，從而影響晶閘管的各項(xiàng)性能指標(biāo)而引起與芯片相關(guān)的失效。如前文所述，晶閘管內(nèi)部多層材料的膨脹系數(shù)不一致，結(jié)溫頻繁波動會引起焊接層脫落或降低強(qiáng)度甚至導(dǎo)致焊料層老化或引線脫落，縮短晶閘管的工作壽命。

2 加速壽命試驗(yàn)方式

加速壽命試驗(yàn)即在高于正常工作應(yīng)力下使元器件運(yùn)行環(huán)境更惡劣，導(dǎo)致器件加速失效。這樣可以在短時間內(nèi)獲得較多的失效數(shù)據(jù)[5]，結(jié)合晶閘管壽命分布的相關(guān)信息，對獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行反推，得出在正常應(yīng)力運(yùn)行時晶閘管的壽命時間。

加速壽命試驗(yàn)的類型較多，常用的有恒定應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)、步進(jìn)應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)和序進(jìn)應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)。

①恒定應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)。試驗(yàn)方式為將試品分為[k]組，每組[x]個試品分別在不同應(yīng)力下進(jìn)行試驗(yàn)，直到出現(xiàn)試品失效為止。

②步進(jìn)應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)。試驗(yàn)方式為將全部試品作為一組，所有試品先在一個較低的應(yīng)力下進(jìn)行試驗(yàn)，若有試品失效則退出試驗(yàn)，若無試品失效則增加應(yīng)力水平進(jìn)行下一次試驗(yàn)。這樣可能某一個試品會進(jìn)行若干次加速應(yīng)力試驗(yàn)。

③序進(jìn)應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)。試驗(yàn)方式與步進(jìn)應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)相似，不同之處在于這個應(yīng)力水平隨著時間的增加而增加。

這3種加速壽命試驗(yàn)的特點(diǎn)各不相同。對于恒定應(yīng)力加速試驗(yàn)，需要較多的試品數(shù)量才能做到每組試品都有失效數(shù)據(jù)。對于步進(jìn)應(yīng)力加速試驗(yàn)，較恒定應(yīng)力加速試驗(yàn)可減少試品數(shù)量，但得到的相對結(jié)論并沒有恒定應(yīng)力加速試驗(yàn)理想。對于序進(jìn)應(yīng)力加速試驗(yàn)，它要有專門控制應(yīng)力水平變化的設(shè)備和跟蹤產(chǎn)品失效的記錄設(shè)備。雖然這3種加速壽命試驗(yàn)均可得到產(chǎn)品失效的數(shù)據(jù)，但權(quán)衡結(jié)論的可靠性，選擇恒應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)方案。

3 加速壽命試驗(yàn)方案

如前文所述，晶閘管的老化歸根結(jié)底是溫度應(yīng)力的作用。不同材料封裝在一起的多層結(jié)構(gòu)膨脹系數(shù)存在差別，在溫度循環(huán)過程中膨脹所產(chǎn)生的機(jī)械形變不同，導(dǎo)致器件材料受到不同程度的壓縮或拉伸應(yīng)力。這種機(jī)械應(yīng)力破壞器件內(nèi)部的連接部分，最終導(dǎo)致晶閘管的失效。目前，給晶閘管提供溫度過應(yīng)力的加速壽命試驗(yàn)方法有功率循環(huán)和溫度循環(huán)試驗(yàn)兩種。前者通過晶閘管自身功率損耗產(chǎn)生溫度循環(huán)，模擬器件工作條件下的可靠性。后者通過外界環(huán)境溫度改變產(chǎn)生溫度循環(huán)，模擬器件所處場所氣候條件和存儲環(huán)境下的穩(wěn)定性。

3.1 方案確定

本文在溫度循環(huán)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用高低溫濕熱交變老化試驗(yàn)箱設(shè)備給試品加入70%恒濕環(huán)境，加速失效過程，另外利用穩(wěn)壓電源給試品提供加速試驗(yàn)電壓。

選擇晶閘管壽命失效的判據(jù)是晶閘管在過應(yīng)力失效后導(dǎo)致漏電流增大，其漏電流的增大呈現(xiàn)出幾何分布，在達(dá)到一定量電壓時晶閘管的漏電流將會急劇上升，從而造成晶閘管耐壓降低。這里測得晶閘管的導(dǎo)通壓降下降5%時，便認(rèn)定該試品已經(jīng)發(fā)生老化失效。

3.2 壽命評估模型

本試驗(yàn)采用的壽命評估模型為：

此處設(shè)計(jì)3種控制變量的加速老化試驗(yàn)，通過曲線擬合求取模型常數(shù)m、n，再基于威布爾分布和平均秩計(jì)算法的可靠性理論進(jìn)行評估，得到晶閘管在相應(yīng)試驗(yàn)溫度下老化參數(shù)降級到預(yù)訂指標(biāo)所需的平均運(yùn)行時間，然后結(jié)合壽命評估模型、模型常數(shù)以及平均運(yùn)行時間評估晶閘管壽命。

4 加速壽命試驗(yàn)的實(shí)施

本試驗(yàn)共準(zhǔn)備3組晶閘管試驗(yàn)樣品，3組試品要分別進(jìn)行加速壽命試驗(yàn)。將每組試品分別置于高低溫濕熱交變老化試驗(yàn)箱中，試驗(yàn)箱設(shè)定恒濕70%不變，而溫度設(shè)定交替變化。同時，需用大功率穩(wěn)壓電源向試驗(yàn)箱中晶閘管供電，通過定時開關(guān)功能控制穩(wěn)壓電源開斷，使試驗(yàn)晶閘管高溫時通電，低溫時斷電交替運(yùn)行。

每組試驗(yàn)具體設(shè)計(jì)如下：①第一組晶閘管先在得電條件下125 ℃運(yùn)行20 h，然后在斷電條件下-40 ℃運(yùn)行20 h，后續(xù)反復(fù)得電125 ℃、20 h，斷電-40℃、20 h，電壓為額定電壓120%循環(huán)運(yùn)行;②第二組晶閘管先在得電條件下135 ℃運(yùn)行20 h，然后在斷電條件下-40 ℃運(yùn)行20 h，后續(xù)反復(fù)得電135 ℃、20 h，斷電-40 ℃、20 h，電壓為額定電壓120%循環(huán)運(yùn)行;③第三組晶閘管先在得電條件下125 ℃運(yùn)行20 h，然后在斷電條件下-40 ℃運(yùn)行20 h，后續(xù)反復(fù)得電125 ℃、20 h，斷電-40 ℃、20 h，電壓為額定電壓130%循環(huán)運(yùn)行。

在3組試驗(yàn)的交替循環(huán)運(yùn)行中，每個循環(huán)運(yùn)行周期內(nèi)，利用萬用表測得每組晶閘管在同一時刻的導(dǎo)通壓降。當(dāng)導(dǎo)通壓降下降5%時，晶閘管已經(jīng)老化失效，記錄下此時的運(yùn)行時間，采用威布爾分布與平均秩計(jì)算法的可靠性理論進(jìn)行評估，得到每組晶閘管失效的平均時間。3組晶閘管失效的試驗(yàn)條件與平均運(yùn)行時間如表1所示。

依據(jù)前文所列的壽命評估模型，利用最小二乘法進(jìn)行曲線擬合，計(jì)算出[m]、[n]，根據(jù)[m]、[n]得出AF，再結(jié)合晶閘管平均運(yùn)行時間評估其使用壽命。

5 結(jié)語

本文分析總結(jié)晶閘管內(nèi)部結(jié)構(gòu)老化機(jī)理、外界及工作環(huán)境對晶閘管壽命的影響，提出了與晶閘管相關(guān)的壽命評估模型，并設(shè)計(jì)了一套切實(shí)可行的晶閘管壽命評估試驗(yàn)方案，對研究晶閘管壽命評估及老化分析具有重要的參考價(jià)值。

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