碳化硅功率模塊可靠性：Wolfspeed 的功率循環(huán)與壽命建模方法

Mauro Ceresa，Wolfspeed 現(xiàn)場應(yīng)用工程高級總監(jiān)

Robert Shaw，Wolfspeed 功率模塊可靠性高級經(jīng)理

引言

碳化硅 (SiC) 功率器件在汽車、可再生能源、工業(yè)電動交通和航空航天市場的快速應(yīng)用，重新定義了系統(tǒng)要求。傳統(tǒng)的認(rèn)證已不再足夠?？蛻衄F(xiàn)在要求耐久性，確保系統(tǒng)能夠在惡劣環(huán)境下持續(xù)運行數(shù)十年，且停機(jī)時間最短。

交通電氣化、可再生能源集成和工業(yè)自動化對功率半導(dǎo)體模塊提出了前所未有的要求?？煽啃?、耐久性和壽命預(yù)測至關(guān)重要，特別是在失效不可接受的汽車和工業(yè)應(yīng)用中。本文概述了 Wolfspeed 在碳化硅 (SiC) 功率模塊中應(yīng)對功率循環(huán)挑戰(zhàn)的方法，探討了失效模式、測試方法、壽命建模以及公司為在苛刻條件下實現(xiàn)長使用壽命而設(shè)計的高性能模塊產(chǎn)品組合。

填補(bǔ)可靠性與耐久性之間的空白

電力電子標(biāo)準(zhǔn)和認(rèn)證涵蓋了許多可能的實際案例，但并非全部。一個模塊可以通過所有標(biāo)準(zhǔn)可靠性測試，但由于常規(guī)認(rèn)證協(xié)議未捕獲到的特定應(yīng)力，而在現(xiàn)場使用中過早失效。

例如，HTRB用于測試器件在高溫條件下的性能，但隨著時間的推移，監(jiān)管機(jī)構(gòu)增加了其它更具壓力的測試： HV-H3TRB ，用于同時測試器件在高溫、高濕和高電壓條件下的性能。

實驗室可靠性與現(xiàn)場耐久性之間的這種差距，推動了對更復(fù)雜測試方法的需求，特別是功率循環(huán)分析，它已成為實際應(yīng)用中系統(tǒng)壽命最相關(guān)的指標(biāo)。

當(dāng)我們以創(chuàng)建壽命模型為最終目標(biāo)來討論功率循環(huán)時，沒有通過或失敗的循環(huán)次數(shù)要求。這意味著器件在不同條件下進(jìn)行測試直至失效，但循環(huán)次數(shù)很少而失效的產(chǎn)品與循環(huán)次數(shù)非常多而失效的產(chǎn)品的測試方式并無不同。

閱讀本白皮書，了解 Wolfspeed 針對系統(tǒng)耐久性新性能期望的可靠性方法。

功率循環(huán)基礎(chǔ)

溫度變化會引起材料的尺寸變化——通常是加熱時膨脹，冷卻時收縮。這種尺寸變化的幅度是材料特定的，并由熱膨脹系數(shù) (CTE) 表征。

對于功率模塊，這一點變得尤為關(guān)鍵，因為襯底組件由多種不同的材料以分層結(jié)構(gòu)鍵合在一起組成，每種材料對熱循環(huán)的響應(yīng)都不同（圖 1）。

圖 1：Wolfspeed XM3 碳化硅 (SiC) 功率模塊

橫截面多層結(jié)構(gòu)圖

功率循環(huán) (Power cycling, PC) 測試是在實際熱應(yīng)力條件下評估碳化硅 (SiC) 模塊耐久性的最合適方法。其基本原理是對功率模塊施加重復(fù)的電流脈沖（圖 2），在器件結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生受控的溫度擺動，模擬實際運行期間經(jīng)歷的加熱和冷卻循環(huán)。

測試過程圍繞三個關(guān)鍵應(yīng)力參數(shù)展開，這些參數(shù)共同決定了器件的壽命。溫度擺動 (ΔTj) 代表芯片結(jié)的峰值工作溫度與其冷卻基準(zhǔn)之間的溫差。

最高結(jié)溫 (Tj,max) 定義了每個循環(huán)期間達(dá)到的絕對峰值溫度，它影響熱膨脹的幅度和老化機(jī)制的激活能量。脈沖持續(xù)時間 (ton) 決定了器件在高溫下保持的時間，影響熱量穿透襯底層的深度，以及封裝結(jié)構(gòu)內(nèi)達(dá)到的熱平衡程度。

功率循環(huán)需要在各種工作條件下（特別是不同的 Tj,max、ΔTj 和 ton）將樣品運行至壽命終止。通過在每種條件下測試多個單元，我們可以提取這些參數(shù)與循環(huán)壽命之間的關(guān)系，這是構(gòu)建預(yù)測壽命模型的基礎(chǔ)。

Wolfspeed 采用的功率循環(huán) (Power cycling, PC) 測試通過 / 失敗標(biāo)準(zhǔn)與 AQG 324 車規(guī)標(biāo)準(zhǔn)一致。主要監(jiān)控兩種失效模式：

第一個標(biāo)準(zhǔn)是檢測到 VDS 上升 +5%，這代表了在整個功率脈沖期間維持負(fù)載電流 (IL) 所需的電壓。該指標(biāo)專門識別可歸因于芯片頂部連接、芯片脫離或任何其它類型的電接觸失效的功率循環(huán)失效，這些失效通常表現(xiàn)為 VDS 的突然尖峰。

第二個標(biāo)準(zhǔn)是熱阻 (RTH) 增加 +20%。系統(tǒng)通過測量關(guān)斷期間體二極管的正向電壓來測量芯片的熱響應(yīng)，從而在每個周期計算 RTH。當(dāng) RTH 增加時，表示功率模塊的多層結(jié)構(gòu)的熱耗散退化，損害了從芯片到散熱器的導(dǎo)熱性能。

圖 2：功率循環(huán)波形及相關(guān)參數(shù)

兩種不同的測試配置已成為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。PCsec 測試采用幾秒鐘的脈沖持續(xù)時間，將熱應(yīng)力集中在芯片附近，主要針對芯片頂部連接和芯片底部貼裝界面。PCmin 測試使用大于 15 秒到幾分鐘的 ton 脈沖，允許熱量更深地穿透襯底層，并對焊點和基板或封裝部分施加應(yīng)力。這種區(qū)別至關(guān)重要，因為不同的失效機(jī)制在不同的時間應(yīng)力配置下占主導(dǎo)地位，需要對兩種狀態(tài)進(jìn)行全面測試才能完全表征模塊的耐久性。

典型的測試配置采用以下值：

ΔTj = 75 - 125 °C，Tj,max = 125 - 175 °C，

PCsec 的 ton < 5 s， PCmin 的 ton > 15 s。

圖 3 說明了不同 ton 持續(xù)時間對功率循環(huán) (Power cycling, PC) 測試結(jié)果的影響。

相反，延長的脈沖持續(xù)時間 (PCmin) 允許熱量擴(kuò)散到整個襯底組件，將應(yīng)力分布在芯片頂部和整個襯底附著界面上。因此，較長的脈沖周期對模塊施加了更大的整體應(yīng)力，導(dǎo)致在每個周期的基礎(chǔ)上顯著加速退化。

圖 3：PCsec 和 PCmin 可以研究不同類型的失效

硅 (Si) 與碳化硅 (SiC) 的失效機(jī)制

從硅 (Si) 功率器件向碳化硅 (SiC) 功率器件的轉(zhuǎn)變改變了功率模塊內(nèi)的機(jī)械應(yīng)力分布，需要重新全面評估失效機(jī)制和封裝方法。

傳統(tǒng)的硅 (Si) 模塊通常表現(xiàn)出明顯的失效模式，包括由于熱機(jī)械疲勞導(dǎo)致的鍵合線剝離、由于差異熱膨脹導(dǎo)致的焊點開裂，以及在持續(xù)熱循環(huán)下鋁金屬化重構(gòu)（見圖 4 和圖 5）。

碳化硅 (SiC) 器件因其優(yōu)越的材料特性而帶來了獨特的挑戰(zhàn)。碳化硅 (SiC) 更高的楊氏彈性模量和導(dǎo)熱性，在實現(xiàn)卓越電氣性能的同時，也顯著放大了傳統(tǒng)封裝結(jié)構(gòu)內(nèi)的機(jī)械應(yīng)力。增加的導(dǎo)熱性產(chǎn)生更陡的溫度梯度，而更高的模量則將熱膨脹失配轉(zhuǎn)化為材料界面處更大的機(jī)械力。因此，采用傳統(tǒng)封裝架構(gòu)的碳化硅 (SiC) 器件通常表現(xiàn)出比同等硅 (Si) 器件更短的功率循環(huán)壽命。

專門為碳化硅 (SiC) 應(yīng)用開發(fā)的先進(jìn)封裝技術(shù)旨在通過材料和結(jié)構(gòu)創(chuàng)新來緩解這些挑戰(zhàn)。銅連接線取代了傳統(tǒng)的鍵合線，提供了更低的電阻路徑和更好的熱機(jī)械穩(wěn)定性。銀燒結(jié)替代了傳統(tǒng)的焊接，提供了卓越的熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率，同時在熱循環(huán)下表現(xiàn)出更高的可靠性。活性金屬焊接 (Active metal Brazing, AMB) 襯底取代了直接覆銅板 (Direct Bonded Copper, DBC) ，改進(jìn)了熱膨脹匹配。

然而，這些先進(jìn)的封裝方法引入了它們自己潛在的失效模式。燒結(jié)界面雖然比焊點更堅固，但可能通過空洞形成和銀遷移經(jīng)歷逐漸退化。銅連接線可能通過鍵合界面處的疲勞或幾何過渡處的應(yīng)力集中而失效。這些先進(jìn)封裝的復(fù)雜性創(chuàng)造了多個潛在的失效路徑，需要通過功率循環(huán)分析進(jìn)行全面表征。

圖 4：鍵合線退化失效示例

 

圖 5：芯片貼裝退化的證據(jù)

Wolfspeed 的 YM4 功率模塊系列采用銅連接技術(shù)、燒結(jié)芯片貼裝和環(huán)氧樹脂封裝，在相同尺寸下，其功率循環(huán)次數(shù)比同類最佳競爭對手器件多 3 倍（圖 6）。

了解更多關(guān)于 Wolfspeed YM4 功率模塊系列，

https://www.wolfspeed.com/products/power/sic-power-modules/ym-power-module-family/?generation=Gen%204

 

圖 6：YM4 功率循環(huán)能力

與相同尺寸下其它解決方案的比較

測試方法與測量

Wolfspeed 的功率循環(huán)方法遵循標(biāo)準(zhǔn)化測試協(xié)議，同時結(jié)合了獨特的改進(jìn)，提高了測試精度與實際應(yīng)用的相關(guān)性。測試基礎(chǔ)設(shè)施使用能夠同時測試多個模塊的商業(yè)功率循環(huán)設(shè)備（圖 7），通過在相同的應(yīng)力條件下同時測量多個器件，實現(xiàn)了高效的數(shù)據(jù)收集，同時保持了統(tǒng)計嚴(yán)謹(jǐn)性。

圖 7：可同時測試多達(dá) 12 個半橋功率模塊

芯片結(jié)溫測量是該方法的一個關(guān)鍵方面，需要高精度和快速響應(yīng)時間。此操作通常根據(jù)圖 8 所示的示意圖，使用體二極管正向電壓 (VF) 來完成。

該過程首先執(zhí)行溫度校準(zhǔn)，以確定 VF 和 Tj 之間的關(guān)系。該過程使用冷卻劑使器件工作在不同溫度，同時測量每個溫度點下的體二極管正向電壓。

圖 8：體二極管正向電壓測量確定芯片結(jié)溫

這生成了一系列表征電壓-溫度關(guān)系的校準(zhǔn)曲線。然后使用多項式函數(shù)對這些曲線進(jìn)行數(shù)學(xué)擬合（圖 9）。

圖 9：有了校準(zhǔn)曲線，我們可以使用測得的 VF 來確定 Tj

（來源：Wolfspeed）

一旦確定了校準(zhǔn)曲線，測試周期遵循以下步驟進(jìn)行：

器件開啟，并在 ton 期間通過溝道施加恒定電流。選擇溝道電流是因為它更好的被控制并更準(zhǔn)確地代表實際應(yīng)用條件。在開啟狀態(tài)期間，VDS 用作失效標(biāo)準(zhǔn)模式的判定。

器件關(guān)斷，并在 toff 期間通過體二極管施加恒定測試電流。在此階段使用體二極管是因為其正向電壓表現(xiàn)出高溫度敏感性，并且可以在低電流水平下測量，避免不必要的功率損耗。在關(guān)閉狀態(tài)期間，如果使用體二極管測試，則測量 Vf 作為結(jié)溫的指示，并進(jìn)行分析以計算 RTH，RTH 在同一標(biāo)準(zhǔn)下作為附加的壽命參數(shù)。

之前的開關(guān)循環(huán)不斷重復(fù)，測試持續(xù)進(jìn)行直至失效。

圖 10 顯示了應(yīng)用 PCsec 測試獲得的 VDS 和 RTH 隨循環(huán)次數(shù)的變化曲線。請注意兩個失效標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用方式。第一個失效標(biāo)準(zhǔn)，是發(fā)生失效時的漏源電壓值 VDS 相對于初始值增加 5%。而熱失效標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)于 RTH 增加 20%（在所提出的用例中尚未達(dá)到）。圖中的 VDS 垂直增加是由于鍵合線失效。

圖 10：VDS 和 RTH 隨循環(huán)次數(shù)的趨勢

（來源：Wolfspeed）

構(gòu)建壽命模型

將功率循環(huán)測試數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為預(yù)測壽命模型，使得能夠從加速測試條件外推到實際應(yīng)用配置文件。Wolfspeed 的方法包括對三個主要應(yīng)力變量進(jìn)行系統(tǒng)性的參數(shù)掃描，以建立應(yīng)力條件 (ΔT、Tjmax 和 ton) 與循環(huán)至失效之間的經(jīng)驗關(guān)系。

壽命模型構(gòu)建從測試矩陣的設(shè)計開始，需要仔細(xì)選擇應(yīng)力條件 (ΔT、Tjmax 和 ton)，以平衡測試持續(xù)時間限制與模型精度要求。更高的應(yīng)力水平會加速失效，從而實現(xiàn)合理的測試完成時間，但過度的加速可能會激活非代表性的失效模式。

將模型應(yīng)用于應(yīng)用配置文件需要對實際運行條件進(jìn)行復(fù)雜分析。通過電熱仿真將客戶配置文件分解為熱循環(huán)，生成時間序列的結(jié)溫數(shù)據(jù)。雨流循環(huán)計數(shù)算法從這些復(fù)雜的波形中提取等效的熱循環(huán)，從而通過累積損傷計算實現(xiàn)壽命模型的應(yīng)用。 分析結(jié)果（圖 11）為特定操作場景提供了定量的壽命預(yù)測。

圖 11：功率模塊壽命建模過程

Wolfspeed 的產(chǎn)品組合展示了封裝技術(shù)如何直接影響功率循環(huán)性能，其中針對不同細(xì)分市場和應(yīng)用需求優(yōu)化了不同的方法。

Wolfspeed WolfPACK™ 模塊系列使用壓接技術(shù)，最適合需要中等功率循環(huán)能力且對成本敏感的應(yīng)用。這些模塊取消了傳統(tǒng)的基板，利用壓接端子進(jìn)行電氣連接并簡化熱管理。這種創(chuàng)新方法消除了對于傳統(tǒng)焊點的需求，減輕了焊接疲勞的風(fēng)險。它的專有芯片焊接技術(shù)和鍵合線設(shè)計，使其擁有領(lǐng)先于其他選項的業(yè)界領(lǐng)先性能。

關(guān)于 Wolfspeed WolfPACK™ 模塊更多詳細(xì)信息，

https://www.wolfspeed.com/products/power/sic-power-modules/wolfspeed-wolfpack-sic-power-modules-family/

YM 產(chǎn)品組合代表了 Wolfspeed 的車規(guī)級六管集成解決方案，融合了專門為極度高可靠性應(yīng)用設(shè)計的先進(jìn)封裝技術(shù)。這些模塊采用銅互連取代傳統(tǒng)的鍵合線，提供卓越的載流能力和增強(qiáng)的熱機(jī)械可靠性。芯片貼裝采用銀燒結(jié)技術(shù)，與傳統(tǒng)的焊接相比，提供了改進(jìn)的熱性能和電性能，同時表現(xiàn)出卓越的抗熱循環(huán)退化能力?；钚越饘兮F焊 (Active metal Brazing, AMB) 襯底提供了優(yōu)化的熱膨脹匹配，進(jìn)一步增強(qiáng)了可靠性。

關(guān)于 YM 產(chǎn)品組合更多詳細(xì)信息，

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單開關(guān)塑封模塊 (TM 系列) 提供了一種緊湊的封裝解決方案，結(jié)合了高可靠性和減少的外形尺寸要求。這些模塊包含許多與 YM 模塊相同的先進(jìn)技術(shù)，包括銅互連和燒結(jié)芯片貼裝，但使用塑封進(jìn)行環(huán)境保護(hù)，而不是傳統(tǒng)的殼體方法。這種封裝策略使得能夠集成到空間受限的應(yīng)用中，同時保持車規(guī)級的可靠性性能。塑封方法還有利于表面貼裝組裝工藝，在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)尺寸內(nèi)實現(xiàn)設(shè)計靈活性。

關(guān)于 單開關(guān)塑封模塊 (TM 系列) 更多詳細(xì)信息，

https://www.wolfspeed.com/products/power/sic-power-modules/tm_single_switch_power_module_family/

功率循環(huán)結(jié)果說明了封裝技術(shù)對應(yīng)用壽命的巨大影響。在相同應(yīng)力條件下的測試表明，環(huán)氧樹脂封裝的 WolfPACK 模塊比硅凝膠封裝的同類產(chǎn)品實現(xiàn)了顯著改進(jìn)，而 YM 和塑封產(chǎn)品中的先進(jìn)封裝方法將壽命比傳統(tǒng)封裝技術(shù)延長了數(shù)量級。這些改進(jìn)直接轉(zhuǎn)化為最終用戶維護(hù)需求的減少、系統(tǒng)壽命的延長以及總擁有成本的降低。

了解更多關(guān)于 Wolfspeed 如何推進(jìn)碳化硅封裝技術(shù)提升。

預(yù)測性耐久性

功率循環(huán)分析的實際應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)擴(kuò)展了實驗驗證，為系統(tǒng)設(shè)計人員提供了量化工具，用于優(yōu)化應(yīng)用壽命、預(yù)測維護(hù)需求并最小化總擁有成本。Wolfspeed 的綜合方法包括標(biāo)準(zhǔn)化分析和應(yīng)用配置文件模擬。

可靠性分析始于詳細(xì)的應(yīng)用配置文件，包括運行條件數(shù)據(jù)，如負(fù)載循環(huán)、環(huán)境溫度變化和占空比模式。通過執(zhí)行電熱仿真，可以將這些運行條件轉(zhuǎn)換為結(jié)溫曲線，同時考慮功率模塊內(nèi)部和整個系統(tǒng)熱管理架構(gòu)的熱動力學(xué)。先進(jìn)的雨流計數(shù)算法將復(fù)雜的熱波形分解為等效的功率循環(huán)條件，從而能夠直接應(yīng)用實驗室導(dǎo)出的壽命模型。

由此產(chǎn)生的耐久性預(yù)測支持預(yù)測性維護(hù)策略，從而優(yōu)化系統(tǒng)可用性，同時最大限度地降低維護(hù)成本?？蛻艨梢詫嵤┗跔顟B(tài)的維護(hù)計劃，該計劃考慮了實際運行歷史和預(yù)測的剩余使用壽命，而不是依賴于保守的基于時間的更換計劃。這種方法在停機(jī)成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過模塊更換成本的應(yīng)用中（例如可再生能源裝置或工業(yè)自動化系統(tǒng)）尤其有價值。

設(shè)計優(yōu)化代表了另一個重要的價值主張，即功率循環(huán)分析指導(dǎo)系統(tǒng)架構(gòu)決策以最大化耐久性。策略包括增強(qiáng)熱管理以降低 ΔTj、并聯(lián)模塊以分布熱應(yīng)力，以及優(yōu)化運行參數(shù)以最小化累積損傷。這些設(shè)計修改通常以最小的成本影響實現(xiàn)顯著的壽命改進(jìn)，從根本上改進(jìn)了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

將功率循環(huán)分析集成到客戶設(shè)計流程中，最終實現(xiàn)了從被動到主動的壽命管理的轉(zhuǎn)變，將功率模塊可靠性從一個不確定的變量轉(zhuǎn)變?yōu)榭闪炕脑O(shè)計參數(shù)，可以與其他系統(tǒng)特性一起進(jìn)行優(yōu)化。

結(jié)論

功率循環(huán)分析解決了在苛刻環(huán)境下應(yīng)用下壽命評估的基本挑戰(zhàn)。從傳統(tǒng)可靠性測試到復(fù)雜耐久性建模的演變，反映了對電力電子產(chǎn)品的期望壽命不斷提高，因為它們已成為汽車、可再生能源和工業(yè)領(lǐng)域關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施不可或缺的一部分。

Wolfspeed 的綜合方法結(jié)合了先進(jìn)的封裝技術(shù)、嚴(yán)格的測試方法和預(yù)測建模能力，在系統(tǒng)耐久性和可靠性方面提供了可量化的改進(jìn)。公司的產(chǎn)品組合展示了有針對性的封裝創(chuàng)新如何實現(xiàn)功率循環(huán)壽命的數(shù)量級改進(jìn)，同時為不同的細(xì)分市場提供具有成本優(yōu)勢的解決方案。

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