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SiC功率模块功率循环实验平台开发 2022-04-27 15:19
朱士伟，SiC功率模块功率循环实验平台开发[D]，山东大学，2021
(转载请注明出处及作者)
1、功率循环及标准背景
功率模块在工作过程中会产生大量热量，这些热量绝大部分由基板下的散热器带走。现阶段功率模块的功率密度不断提升，加之新能源汽车电驱动应用领域工作环境极为恶劣，因此功率模块的可靠性正面临极大的挑战。
功率模块失效是由内外部原因共同作用的结果。内部由于温度交变产生应力外部则是由于运行环境恶劣，受温度、湿度、辐照等影响。功率模块的组成并不是单一的累积，而是由有各种功能的各种材料堆叠而成，这些材料的热膨胀系数相差很大，在温度交变时将产生严重的热失配。研究表明，功率模块在实际运行过程中，最容易受到损伤的部位有两个：键合引线和焊料层。当模块受到上述两项损伤时，应用中表现为热阻升高或者导通压降增大。
在SiC功率模块中，键合引线和焊料层依然是最易受到损坏的部分。但是由于碳化硅芯片的杨氏模量较硅芯片更大，材料失配行为更严重，使得模块寿命更低。功率循环实验是考核功率模块长期运行可靠性的最重要的实验。在现场应力条件下，考核功率模块的可靠性是不现实的，应力积累数十年才会引起功率模块发生失效，且整个系统要承受功率模块突然出现故障而带来的损失。因此，在考核功率模块的可靠性问题时，大都采用了功率循环加速实验。功率循环实验能在较短的时间内使功率模块受到不同程度的损伤，结合功率循环的实验条件便可以有针对性的分析功率模块内部结构的可靠性问题，并建立相应的寿命预估模型，为后续系统可靠性评估打下基础。
对于功率模块功率循环实验标准，使用最广泛的有IEC 60749-34和AQG 324。国际电工委员会（International Electron technical Commission，IEC）率先开始探索功率模块的功率循环实验方案，包含测试电路、实验方案、实验结束判据等，但是，由于不同厂家的功率模块的结构、用途存在较大差异，国际电工委员会制定的功率循环实验方案尽管规定了功率循环实验主要的实验要求，但是在细节上过于笼统，不同厂家在测试时没有形成统一的标准。同时，目前尚没有明确推出针对碳化硅功率模块的可靠性测试标准，这对碳化硅功率模块的可靠性测试及评估造成一定的困难。
基于此，欧洲功率半导体发展中心（European Center for Power Electronics，ECPE） 以德国标准LV324为基础，制定了AQG324《汽车电力转换装置用功率模块鉴定指南》。由于电动汽车行业是功率模块发展的主要推动市场，因此，AQG324 主要面向车用功率模块制定了一系列测试标准，包含机械性能测试、环境实验测试、寿命评估等。相对于国际电工委员会制定的功率模块功率循环测试方法，该方案可操作性较好，该标准将进一步扩展到针对碳化硅功率模块的可靠性测试中。表１-2给出了功率循环测试两种标准方案的对比。
2、国内外研究进展
功率模块的可靠性验证研究经过多年发展，逐渐取得了一些突破。SiC功率模块出现的时间较短，加之对于SiC功率模块而言，功率循环作为破坏性实验价极髙，因此，相关的研究较少。李晓玲等学者对SiC、Si混合功率模块封装可靠性进行了一系列对比实验，得出SiC器件的参数分散性显著高于Si器件，当多个芯片并联后容易引起电－热应力不均匀，引起功率模块失效； 作者还指出SiC MOSFET中，过电流热损坏、过电压击穿和栅极失效等是功率模块常见的失效方式，其中栅极失效是SiC MOSFET尤其需要注意的一种失效行为。MorozumA等学者研究了某75A-1200V功率模块功率循环失效特征，功率循环采用恒电流恒定导通时间控制策略，冷却方案采取风冷方式，循环加热冷却直至器件失效。作者设置了两种不同的结温波动范围，在其他条件均相同的实验条件下，得出当结温波动范围小于80℃时，主要的失效机理是焊料层应力累计导致焊料蠕变产生裂纹； 当结温波动范围约等于100℃时，功率模块的主要失效行为则表现为键合线翘曲、脱落。Vanessa Smet等学者研究了功率循环过程中初始结温和结温波动范围对功率模块的影响，实验表明当功率循环条件设置为初始结温最小为60℃，波动范围大于60℃，经过实验，所有的功率模块失效都由键合线翘曲、断裂脱落造成，焊料层未见明显损伤。Zoltan Sarkany等学者研究了功率模块常见的焊料层疲劳和键合线翘曲脱落导致的失效模式的先兆参量，采用了恒定结温的功率循环模式，并且为了直观的展示键合线脱落导致的现象，采用剪断键合线来观察饱和压降的关系的方法。研究发现，焊料层或者键合线的失效都会导致导通压降升高，而焊料层失效可以通过判断热阻变化量识别。吴涛等学者主要梳理了SiC MOSFET温敏参数法的研究现状，主要对比了阈值电压、体二极管压降、栅极内阻、饱和电流等温敏参数与结温的关系。研究发现小电流下体二极管压降在稳定性方面优势明显。李亚萍等学者研究了IGBT功率模块各种加速老化方法，认为功率循环实验更接近模块实际工作状况，功率循环实验容易引起焊料层失效和键合引线翘曲失效，而温度循环则常引起焊料层蠕变失效。其中秒级功率循环常导致键合线失效，而分钟级的功率循环易导致焊料层失效。
3 、寿命预测模型
在功率模块寿命预测方面，主要有物理模型和解析模型两种方法。物理模型利用了功率循环实验所得结果和功率循环过程中相关变量进行拟合，得出老化实验的关系式，一般来讲，Cofin-Manson模型是包含变量最少模型，只考虑了循环过程中温度的波动量，表达式为：
然而，由于变量太少，该模型准确度不高，因此，Lesit模型发现了Cofin-Manson模型的弊端，增加了平均温度值变量，表达式为：
式中α、n为常数，k为玻尔兹曼常数，Ea为芯片的激发能量。
随着对功率模块寿命预测问题认识的不断加深，Norris-Landzberg在Lesit模型的基础上，考虑了循环频率对寿命的影响，提出Norris-Landzberg模型，式中，f为循环频率：
Bayerer模型是物理模型中包含参数最多的模型，局限性在于此模型只适用于基板材料为Al2O3的模块，表达式为：
式1-4中，其中I为器件负载电流值，V为耐压值，D为键合线直径，ton为加热时间。
解析模型方法利用了循环结果和材料应力、应变等特征的关系，所得关系式反映了影响功率模块寿命的物理因素。物理寿命模型分为基于应变的模型、基于断裂力学的模型和基于能量的模型。采用物理模型进行
预测往往需要使用有限元仿真计算，在有限元模型中提取出应力、应变、能量等特征量，代入相关方程中，即可计算出功率模块的寿命。
但是目前为止，功率模块没有通用的寿命模型。两种寿命预测方法各有优势，物理模型更具可靠性评估优势，而解析模型则较为简单，方鑫等学者对几种模型做了对比，其中Bayerer的精确度最高，但仍需要完善。综合来说，寿命预测过程变量多、涉及知识面广，确实存在着一定的困难，但随着以后对功率模块认识的不断加深，能提出更加精准的模型。
随着功率模块的市场不断扩大，功率模块越来越多的出现在电力电子领域，扮演着越来重要的角色。体积小、效率高、可靠性高是大规模应用功率模块最基本的要求，因此，SiC功率模块也逐渐开始被人们关注。SiC功率模块的高频、高压、高温等特性需要结合性能优越的封装形式才能表现出来，但是目前市场上的SiC MOSFET最高结温不超过200摄氏度，传统的以Si芯片为核心的封装技术己经不能满足SiC功率模块的使用要求。基于此，SiC功率模块在结构上进行创新，针对研究表明的功率模块的失效，70%都与键合线失效相关的结论，SiC功率模块在结构上进行创新，对传统的键合线技术改进，采用新型的无引线键合技术，其中最具代表性的为赛米控在2011年推出的Skin结构，如图1-2所示，键合线被Skin柔性层替代。因烧结层位于芯片顶部，Skin柔性层的存在使得功率模块可以提高约25%的浪涌电流。而且，电流密度是传统功率模块的２倍。同时，由于烧结层的导热较好，模块寿命大约可提局10倍。
针对功率模块寄生参数高、散热性差导致可靠性低的问题，对功率模块的散热形式进行重新设计。双面封装是另一个提高功率模块可靠性的手段，芯片被夹在中间，两侧都通过焊料与基板连接，同时在模块上下表面都有冷板散热，封装示意如图1-3。欧开鸿等学者使用有限元仿真的方法预测了采用双面封装和单面封装功率模块的寿命，研究发现，当采用同种封装材料，采用双面封装的功率模块时传统封装功率模块寿命的２倍。
银烧结是近几年出现的焊接方法，代替了传统的焊膏，采用银烧结的功率模块结壳热阻能显著降低，同时提高了散热能力，使得结温下降。在SiC功率模块中发展前景广阔。
4、研究内容
本研究参考了功率半导体可靠性评估标准IEC60748-34和AQG 324，根据SiC功率模块的特点设计了适用于SiC功率模块的功率循环测试平台。在负载直流电源功率允许范围内，可以同时对多个模块进行老化测试，并且可以完全兼容Si基功率模块功率循环实验。文章首先研究了SiC功率模块的三种导通模式，选用正向导通模式下通过大电流的方式加热模块；探究了SiC功率模块的结温获取方式，对比了不同的温敏参数的优缺点，结合功率循环实验的电参数提取难易程度，选择小电流通过体二极管测压降的方式来测量结温。为了减少功率模块散热时间，提高功率循环效率，冷却系统选取水冷的方式。
接下来是控制系统的设计，根据功率循环过程中提取的参数要求，设计合适的参数提取方案，围绕STM32微控制器设计外围电路。另外根据SiC功率模块的开通关断要求，选用驱动芯片搭建电路，设计完成栅极驱动板。功率循环过程中对采集数据精度要求极高，选用高精度的外置ＡＤ芯片；壳温测量采用集成冷端补偿的热电偶转换芯片；与上位机的通讯方面，考虑到通道扩展时可同时老化多个功率模块，选用基于RS485的Modbus通信协议。考虑到热阻提取的参数在本次设计的硬件电路中都能提取，因此在下位机的软件编写中集成了热阻提取功能，可以通过上位机的指令进行功率循环测试和热阻提取测试。
最后，使用SiC功率模块上机实测，经过验证，本次开发的SiC功率循环测试平台能满足预期要求。
5、展望
本文的研究内容主要依据SiC功率模块展开，取得了一系列成果，但是在以下方面仍有进一步研究的空间：
SiC功率模块的可靠性探究仍是现阶段研究的重点，目前大部分采取的是SiC功率模块的研究方法和手段。SiC功率模块的老化数据不多、老化参数测量分析还不够深入，对SiC 功率模块的工作特性、可靠性仿真、寿命评估等方面仍有待研究。
当功率模块的源、漏极接有电感性负载时，功率模块关断时电感电流不能突变，在设计时会反在源流极之间并联二极管续流，防止高压击穿管子。按照本研究提出的体二极管测压降的方法便不再适用，因为此时测试电流同时经过了体二极管和反并联二极管。因此，对于SiC功率模块的结温测量仍然是一个困难的话题，既要满足灵敏度高，又要能在功率循环过程中实时可以被监测。探索不同的温敏参数或者是新型的结温获取方法是未来研究的重点，可考虑同时监测多个参数，探究不同参数之间的协同关系，以此达到探究结温的目的。功率循环平台涉及水、电环境，在设计时需考虑安全防护措施，避免发生意外。同时实验平台高度集成，控制板处在封闭中，易受各种干扰，需考虑电气屏蔽措施来保证各种信号的稳定传输。
(转载请注明出处及作者)
1、功率循环及标准背景
功率模块在工作过程中会产生大量热量，这些热量绝大部分由基板下的散热器带走。现阶段功率模块的功率密度不断提升，加之新能源汽车电驱动应用领域工作环境极为恶劣，因此功率模块的可靠性正面临极大的挑战。
功率模块失效是由内外部原因共同作用的结果。内部由于温度交变产生应力外部则是由于运行环境恶劣，受温度、湿度、辐照等影响。功率模块的组成并不是单一的累积，而是由有各种功能的各种材料堆叠而成，这些材料的热膨胀系数相差很大，在温度交变时将产生严重的热失配。研究表明，功率模块在实际运行过程中，最容易受到损伤的部位有两个：键合引线和焊料层。当模块受到上述两项损伤时，应用中表现为热阻升高或者导通压降增大。
在SiC功率模块中，键合引线和焊料层依然是最易受到损坏的部分。但是由于碳化硅芯片的杨氏模量较硅芯片更大，材料失配行为更严重，使得模块寿命更低。功率循环实验是考核功率模块长期运行可靠性的最重要的实验。在现场应力条件下，考核功率模块的可靠性是不现实的，应力积累数十年才会引起功率模块发生失效，且整个系统要承受功率模块突然出现故障而带来的损失。因此，在考核功率模块的可靠性问题时，大都采用了功率循环加速实验。功率循环实验能在较短的时间内使功率模块受到不同程度的损伤，结合功率循环的实验条件便可以有针对性的分析功率模块内部结构的可靠性问题，并建立相应的寿命预估模型，为后续系统可靠性评估打下基础。
对于功率模块功率循环实验标准，使用最广泛的有IEC 60749-34和AQG 324。国际电工委员会（International Electron technical Commission，IEC）率先开始探索功率模块的功率循环实验方案，包含测试电路、实验方案、实验结束判据等，但是，由于不同厂家的功率模块的结构、用途存在较大差异，国际电工委员会制定的功率循环实验方案尽管规定了功率循环实验主要的实验要求，但是在细节上过于笼统，不同厂家在测试时没有形成统一的标准。同时，目前尚没有明确推出针对碳化硅功率模块的可靠性测试标准，这对碳化硅功率模块的可靠性测试及评估造成一定的困难。
基于此，欧洲功率半导体发展中心（European Center for Power Electronics，ECPE） 以德国标准LV324为基础，制定了AQG324《汽车电力转换装置用功率模块鉴定指南》。由于电动汽车行业是功率模块发展的主要推动市场，因此，AQG324 主要面向车用功率模块制定了一系列测试标准，包含机械性能测试、环境实验测试、寿命评估等。相对于国际电工委员会制定的功率模块功率循环测试方法，该方案可操作性较好，该标准将进一步扩展到针对碳化硅功率模块的可靠性测试中。表１-2给出了功率循环测试两种标准方案的对比。
2、国内外研究进展
功率模块的可靠性验证研究经过多年发展，逐渐取得了一些突破。SiC功率模块出现的时间较短，加之对于SiC功率模块而言，功率循环作为破坏性实验价极髙，因此，相关的研究较少。李晓玲等学者对SiC、Si混合功率模块封装可靠性进行了一系列对比实验，得出SiC器件的参数分散性显著高于Si器件，当多个芯片并联后容易引起电－热应力不均匀，引起功率模块失效； 作者还指出SiC MOSFET中，过电流热损坏、过电压击穿和栅极失效等是功率模块常见的失效方式，其中栅极失效是SiC MOSFET尤其需要注意的一种失效行为。MorozumA等学者研究了某75A-1200V功率模块功率循环失效特征，功率循环采用恒电流恒定导通时间控制策略，冷却方案采取风冷方式，循环加热冷却直至器件失效。作者设置了两种不同的结温波动范围，在其他条件均相同的实验条件下，得出当结温波动范围小于80℃时，主要的失效机理是焊料层应力累计导致焊料蠕变产生裂纹； 当结温波动范围约等于100℃时，功率模块的主要失效行为则表现为键合线翘曲、脱落。Vanessa Smet等学者研究了功率循环过程中初始结温和结温波动范围对功率模块的影响，实验表明当功率循环条件设置为初始结温最小为60℃，波动范围大于60℃，经过实验，所有的功率模块失效都由键合线翘曲、断裂脱落造成，焊料层未见明显损伤。Zoltan Sarkany等学者研究了功率模块常见的焊料层疲劳和键合线翘曲脱落导致的失效模式的先兆参量，采用了恒定结温的功率循环模式，并且为了直观的展示键合线脱落导致的现象，采用剪断键合线来观察饱和压降的关系的方法。研究发现，焊料层或者键合线的失效都会导致导通压降升高，而焊料层失效可以通过判断热阻变化量识别。吴涛等学者主要梳理了SiC MOSFET温敏参数法的研究现状，主要对比了阈值电压、体二极管压降、栅极内阻、饱和电流等温敏参数与结温的关系。研究发现小电流下体二极管压降在稳定性方面优势明显。李亚萍等学者研究了IGBT功率模块各种加速老化方法，认为功率循环实验更接近模块实际工作状况，功率循环实验容易引起焊料层失效和键合引线翘曲失效，而温度循环则常引起焊料层蠕变失效。其中秒级功率循环常导致键合线失效，而分钟级的功率循环易导致焊料层失效。
3 、寿命预测模型
在功率模块寿命预测方面，主要有物理模型和解析模型两种方法。物理模型利用了功率循环实验所得结果和功率循环过程中相关变量进行拟合，得出老化实验的关系式，一般来讲，Cofin-Manson模型是包含变量最少模型，只考虑了循环过程中温度的波动量，表达式为：
然而，由于变量太少，该模型准确度不高，因此，Lesit模型发现了Cofin-Manson模型的弊端，增加了平均温度值变量，表达式为：
式中α、n为常数，k为玻尔兹曼常数，Ea为芯片的激发能量。
随着对功率模块寿命预测问题认识的不断加深，Norris-Landzberg在Lesit模型的基础上，考虑了循环频率对寿命的影响，提出Norris-Landzberg模型，式中，f为循环频率：
Bayerer模型是物理模型中包含参数最多的模型，局限性在于此模型只适用于基板材料为Al2O3的模块，表达式为：
式1-4中，其中I为器件负载电流值，V为耐压值，D为键合线直径，ton为加热时间。
解析模型方法利用了循环结果和材料应力、应变等特征的关系，所得关系式反映了影响功率模块寿命的物理因素。物理寿命模型分为基于应变的模型、基于断裂力学的模型和基于能量的模型。采用物理模型进行
预测往往需要使用有限元仿真计算，在有限元模型中提取出应力、应变、能量等特征量，代入相关方程中，即可计算出功率模块的寿命。
但是目前为止，功率模块没有通用的寿命模型。两种寿命预测方法各有优势，物理模型更具可靠性评估优势，而解析模型则较为简单，方鑫等学者对几种模型做了对比，其中Bayerer的精确度最高，但仍需要完善。综合来说，寿命预测过程变量多、涉及知识面广，确实存在着一定的困难，但随着以后对功率模块认识的不断加深，能提出更加精准的模型。
随着功率模块的市场不断扩大，功率模块越来越多的出现在电力电子领域，扮演着越来重要的角色。体积小、效率高、可靠性高是大规模应用功率模块最基本的要求，因此，SiC功率模块也逐渐开始被人们关注。SiC功率模块的高频、高压、高温等特性需要结合性能优越的封装形式才能表现出来，但是目前市场上的SiC MOSFET最高结温不超过200摄氏度，传统的以Si芯片为核心的封装技术己经不能满足SiC功率模块的使用要求。基于此，SiC功率模块在结构上进行创新，针对研究表明的功率模块的失效，70%都与键合线失效相关的结论，SiC功率模块在结构上进行创新，对传统的键合线技术改进，采用新型的无引线键合技术，其中最具代表性的为赛米控在2011年推出的Skin结构，如图1-2所示，键合线被Skin柔性层替代。因烧结层位于芯片顶部，Skin柔性层的存在使得功率模块可以提高约25%的浪涌电流。而且，电流密度是传统功率模块的２倍。同时，由于烧结层的导热较好，模块寿命大约可提局10倍。
4、研究内容
本研究参考了功率半导体可靠性评估标准IEC60748-34和AQG 324，根据SiC功率模块的特点设计了适用于SiC功率模块的功率循环测试平台。在负载直流电源功率允许范围内，可以同时对多个模块进行老化测试，并且可以完全兼容Si基功率模块功率循环实验。文章首先研究了SiC功率模块的三种导通模式，选用正向导通模式下通过大电流的方式加热模块；探究了SiC功率模块的结温获取方式，对比了不同的温敏参数的优缺点，结合功率循环实验的电参数提取难易程度，选择小电流通过体二极管测压降的方式来测量结温。为了减少功率模块散热时间，提高功率循环效率，冷却系统选取水冷的方式。
接下来是控制系统的设计，根据功率循环过程中提取的参数要求，设计合适的参数提取方案，围绕STM32微控制器设计外围电路。另外根据SiC功率模块的开通关断要求，选用驱动芯片搭建电路，设计完成栅极驱动板。功率循环过程中对采集数据精度要求极高，选用高精度的外置ＡＤ芯片；壳温测量采用集成冷端补偿的热电偶转换芯片；与上位机的通讯方面，考虑到通道扩展时可同时老化多个功率模块，选用基于RS485的Modbus通信协议。考虑到热阻提取的参数在本次设计的硬件电路中都能提取，因此在下位机的软件编写中集成了热阻提取功能，可以通过上位机的指令进行功率循环测试和热阻提取测试。
最后，使用SiC功率模块上机实测，经过验证，本次开发的SiC功率循环测试平台能满足预期要求。
5、展望
本文的研究内容主要依据SiC功率模块展开，取得了一系列成果，但是在以下方面仍有进一步研究的空间：
SiC功率模块的可靠性探究仍是现阶段研究的重点，目前大部分采取的是SiC功率模块的研究方法和手段。SiC功率模块的老化数据不多、老化参数测量分析还不够深入，对SiC 功率模块的工作特性、可靠性仿真、寿命评估等方面仍有待研究。
当功率模块的源、漏极接有电感性负载时，功率模块关断时电感电流不能突变，在设计时会反在源流极之间并联二极管续流，防止高压击穿管子。按照本研究提出的体二极管测压降的方法便不再适用，因为此时测试电流同时经过了体二极管和反并联二极管。因此，对于SiC功率模块的结温测量仍然是一个困难的话题，既要满足灵敏度高，又要能在功率循环过程中实时可以被监测。探索不同的温敏参数或者是新型的结温获取方法是未来研究的重点，可考虑同时监测多个参数，探究不同参数之间的协同关系，以此达到探究结温的目的。功率循环平台涉及水、电环境，在设计时需考虑安全防护措施，避免发生意外。同时实验平台高度集成，控制板处在封闭中，易受各种干扰，需考虑电气屏蔽措施来保证各种信号的稳定传输。
