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摘要：電力電子器件的使用已經(jīng)滲透到當(dāng)今社會的各個領(lǐng)域，如何保障其可靠性是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。本文介紹了電力電子器件的失效機(jī)理，根據(jù)其失效機(jī)理分析了相關(guān)壽命預(yù)測方法，探討了電力電子器件當(dāng)今發(fā)展存在的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，僅供參考。

關(guān)鍵詞：電力電子器件；失效機(jī)理；壽命預(yù)測

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(yīng)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(jì)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(dāng)前關(guān)注的重點(diǎn)。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(hù)成本，進(jìn)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(fēng)力發(fā)電廠中也存在。在廣泛應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)評估、具有冗余組件的容差拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究、壽命預(yù)測和健康管理以及狀態(tài)監(jiān)測、利用先進(jìn)材料進(jìn)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(jī)理和壽命預(yù)測方法進(jìn)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(jī)遇，旨為相關(guān)研究提供參考。

1電力電子器件的失效機(jī)理

目前，對電力電子器件的失效機(jī)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(yīng)力有關(guān)，即高電流和高電壓。外部故障失效通常是由熱機(jī)械過應(yīng)力引起的。而不同材料之間的熱膨脹系數(shù)（CoefficientsofTher-malExpansion，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(jìn)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(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor，MOS-FET）的柵極氧化物層非常脆弱，其承受的電場強(qiáng)度可能達(dá)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(jī)理。1）介電擊穿。介電擊穿是由于累積缺陷導(dǎo)致的柵極氧化物退化而導(dǎo)致的（Time-DependentDielectricBreak-down，TDDB）。介電擊穿有3種失效機(jī)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(dāng)設(shè)備遭受嚴(yán)重的電或熱應(yīng)力時，會發(fā)生急性和嚴(yán)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(yīng)。閂鎖效應(yīng)在絕緣柵雙極型晶體管（Insu-lated-GateBipolarTransistors，IGBT）和MOSFET中都可能發(fā)生。如果未及時消除閂鎖效應(yīng)，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(dāng)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(dǎo)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(dǎo)致電阻增大，甚至導(dǎo)致斷路故障的發(fā)生。

1.2封裝相關(guān)失效機(jī)理。功率模塊廣泛應(yīng)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(jī)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（DirectBondedCop-per，DBC）陶瓷基板和底板構(gòu)成，層間通過焊料焊接[2]。鍵合線通常用于連接不同的芯片并實(shí)現(xiàn)內(nèi)部芯片與外部電路的連接。下面介紹兩種失效機(jī)理：1）鍵合線失效。鍵合線失效進(jìn)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(dǎo)線和器件之間會產(chǎn)生裂紋，最終導(dǎo)致鍵合線脫落。斷裂疲勞被認(rèn)為是造成鍵合線腳跟開裂主要原因。當(dāng)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(yán)重。空隙會導(dǎo)致熱阻抗的增加，導(dǎo)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(yán)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(dǎo)致與芯片相關(guān)的故障。

2壽命預(yù)測方法

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

2.1基于失效機(jī)理的壽命預(yù)測。現(xiàn)有模型的預(yù)測主要基于兩種失效機(jī)理，即鍵合線失效和焊料疲勞[4]。而每種失效機(jī)理的模型并不是互斥的，因?yàn)檫@兩種失效機(jī)理都是源于接觸區(qū)域中的CTE不匹配。該類預(yù)測模型可以分為兩類：經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃突谖锢硎Ｐ停≒hysicsofFailure，PoF）。該類預(yù)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(diǎn)來定義，若超過了損壞臨界點(diǎn)，則表明出現(xiàn)了焊料疲勞失效。

2.2實(shí)時生命周期估算?；诮?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蚉oF模型，可以對實(shí)際應(yīng)用中的電力電子器件進(jìn)行壽命預(yù)測或退化水平評估。在進(jìn)行檢測實(shí)驗(yàn)和仿真分析中，溫度量比機(jī)械量（塑性應(yīng)變）更容易獲取。諸如塑性應(yīng)變和應(yīng)變應(yīng)力等參數(shù)通常通過熱機(jī)械有限元分析（Finiteelementanalysis，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(yàn)?zāi)Ｐ投?，需要更多的仿真?shí)驗(yàn)來獲取器件的各類參數(shù)。經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭苯永闷骷囟裙烙嬍c(diǎn)的循環(huán)數(shù)，但無論是經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦€是PoF模型都僅考慮了特定條件，即固定的平均結(jié)點(diǎn)溫度和溫度擺幅，而功率模塊的負(fù)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(jìn)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：LC=（n1/Nf1+n2/Nf2+n3/Nf3…+nk/Nfk）其中，LC是已消耗的器件壽命百分比，nk是某個工作點(diǎn)的實(shí)際周期，Nfk是工作點(diǎn)的實(shí)效周期。為獲取在某個工作點(diǎn)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(dǎo)致壽命預(yù)測結(jié)果的偏差。因此，選擇適當(dāng)?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(yīng)用場景規(guī)定。

3結(jié)語

基于電力電子器件的失效機(jī)理進(jìn)行其壽命預(yù)測具有很好的實(shí)用價值，其發(fā)展前景仍是機(jī)遇和挑戰(zhàn)并存。如在大多數(shù)情況下，加速老化試驗(yàn)仍然是針對單一的失效模式來進(jìn)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(shí)際的老化過程中，導(dǎo)致其失效原因往往有多種，如何能在進(jìn)行老化試驗(yàn)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(shí)際應(yīng)用中，所有故障前兆參數(shù)并不能無法準(zhǔn)確獲取，從而限制了其壽命預(yù)測工作的進(jìn)行。而一些新型材料的出現(xiàn)，如超寬帶半導(dǎo)體，給當(dāng)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(diǎn)。

作者:楊書明 蔣知明 曾鏢 單位:荊楚理工學(xué)院 電子信息工程學(xué)院