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功率循環 VS.循環功率
 

【作者: Littelfuse公司】   2024年05月29日 星期三

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針對應用於2 MW範圍的電力電子系統,當下關注的焦點是採用何種技術以及具有多久的生命週期。


常見的功率半導體模組有兩種,一種是傳統的焊接鍵結型功率半導體模組,另一種是具有相同額定功率的壓接型功率半導體模組,如圖一、圖二所示。


圖一 :  焊接鍵結型功率半導體
圖一 : 焊接鍵結型功率半導體

圖二 :  壓接型IGBT
圖二 : 壓接型IGBT

預期使用壽命主要由功率循環(PC)進行驗證。半導體中的電流變化會導致組裝和連接產生溫度偏差。上電最初幾秒鐘內的熱波動使得鍵合線因熱膨脹而產生微小移動。長遠來看,這些移動會導致諸如鍵合線脫落或在鍵合點斷裂的缺陷。


如果脈衝持續時間延長,結構中各部件會發熱,由於每一層的熱膨脹係數不同,會導致機械應力的產生。長期來看,機械應力會導致鍵結層的分解和分層。最終,接觸熱阻增加,裝置因發熱而失效。


壓接型結構無需鍵合線,且不存在大面積焊線,因此,與焊接型結構相比,壓接型IGBT理應能允許更多次的功率循環。


然而,圖三和圖四中相應曲線的比較最初似乎反駁了這一點。



圖三 : PC曲線,壓接型元件
圖三 : PC曲線,壓接型元件

圖四 : PC曲線,焊接鍵結型元件
圖四 : PC曲線,焊接鍵結型元件

觀察圖表中80 K溫度波動下的循環次數,壓接型元件是30,000次循環而焊接鍵結型模組是200,000次循環,為壓接型元件的六倍之多。


壓接型裝置真的過早失效嗎?

經驗表明,這種情況不會發生。有些配備了壓接型閘流管的系統運作幾十年並未發生失效,但是圖表曲線為什麼沒有反映這一點呢?


乍一看確實沒有,但若深入研究就會發現測試邊界條件不同。


焊接鍵結型模組的功率循環是透過施加1.5 秒持續脈衝來實現。通電後焊接線產生的較小熱量使得晶片達到所需溫度,斷電後1.5 秒內再次冷卻回到初始溫度,因此一個循環的時間為3 秒。


壓接型裝置的熱容量由與其接觸的固體金屬板決定,這些銅盤通常重達幾百克,幾乎不會在幾秒鐘內產生溫升。將裝置加熱到所需溫度的典型循環週期是導通3分鐘,冷卻2分鐘,整個週期持續5分鐘。


因此,使用焊接鍵結技術在80 K波動下進行100,000次循環操作需耗時300,000秒,相當於83小時或三天多一點的時間。相較之下,壓接型元件每5分鐘一個週期,共100,000個週期的循環測試,需要耗時347天。


另一值得注意的是:壓接型器件的曲線顯示“測試通過”是一項例行測試,可確保器件滿足最低要求但並不意味著產品已達到壽命時間,100%的壓接型器件都需要達到這個結果。


相較之下,焊接鍵合模組的PC曲線顯示“測試失敗”,則表示在此循環次數下裝置已達到了使用壽命。根據標準規範,這種情況下的測試結果僅限於95%的測試部件。 100%的測試曲線通常比壽命結束時的曲線低一個數量級。


因此,壓接型器件的PC曲線是極其保守的表述。


為什麼製造商不為壓接型器件提供「測試失敗」曲線呢?

經驗表明,壓接型器件幾乎不受功率循環的影響,並且不會由於施加負載而現場失效。因此,「通過測試」曲線肯定比「失敗測試」曲線低至少2個數量級。


即使在160 K的溫度波動下壓接型器件不是承受2000次的循環測試,而是高出兩個數量級,相當於200,000次循環,這將使得測試持續時間為100萬分鐘,約近700天。由於繪製曲線需要至少兩個或三個測量點,因此需要在60 K和100 K的溫度波動下進行額外的測試。


對於60 K的溫度波動,曲線上顯示需要100,000次循環,那麼再多一個數量級就意味著100萬次循環、500萬分鐘或近10年的測試週期。


此外,這些測試中每個子單元至少需要1.5 kW的功率,一個裝置則需要相當於不低於30 kW的測試功率。測試在高溫下進行,目標是透過加速手段達到實際的壽命時間,但這反應出另一個困難。測試中的失效並沒有影響壓接型裝置,在測試裝置出現任何損壞之前,測試裝置本身就因電源循環而失效。


這對設計意味著什麼?

電力電子學中,功率循環主要與焊接鍵結的失效有關,但是壓接型封裝結構不存在此失效機制。此外,壓接型元件的大熱容意味著半導體的升溫速度要慢得多,雙面冷卻也減少了相同功率的溫度波動。


綜合來看,緩解效應意味著經典的「功率循環」失效機制不會對壓接型元件的壽命產生影響,這也是設計應用於鐵路、船舶推進系統和電解工廠的原因之一。這些應用中,20年內的使用壽命預計可達160,000小時。


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