电力电子器件失效机理探究

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摘要：电力电子器件的使用已经渗透到当今社会的各个领域，如何保障其可靠性是当前研究的热点。本文介绍了电力电子器件的失效机理，根据其失效机理分析了相关寿命预测方法，探讨了电力电子器件当今发展存在的机遇和挑战，仅供参考。

关键词：电力电子器件；失效机理；寿命预测

0引言

近年来，电力电子装置在工业各个领域得到了广泛应用，如新能源发电、交直流输配电系统、轨道交通以及电动汽车领域[1]。出于经济成本和安全角度的考虑，如何保证电力电子设备及其系统的可靠性成为了当前关注的重点。以光伏发电系统为例，电力电子设备的低可靠性不仅使得发电效率降低，还会增加系统的维护成本，进而增加其发电成本，削减其市场竞争力。同样的问题在各类风力发电厂中也存在。在广泛应用电力电子设备的动车领域和航空航天领域，一旦发生设备故障就可能危及人的生命并造成巨大的财产损失。因此，许多解决电力电子设备及其系统可靠性问题的方法早已提出，并经过了多年的深入研究。主流相关研究领域包括可靠性的标准评估、具有冗余组件的容差拓扑结构研究、寿命预测和健康管理以及状态监测、利用先进材料进行具有高可靠性电力电子设备的设计。本文主要针对电力电子器件的失效机理和寿命预测方法进行介绍，探讨了电力电子器件在发展中存在的挑战和机遇，旨为相关研究提供参考。

1电力电子器件的失效机理

目前，对电力电子器件的失效机理研究通常分为两类，即与芯片相关的内部故障失效和与封装相关的外部故障失效。内部故障失效主要与电气过应力有关，即高电流和高电压。外部故障失效通常是由热机械过应力引起的。而不同材料之间的热膨胀系数（CoefficientsofTher-malExpansion，CTE）的不匹配是引起封装相关故障的根本原因。尽管采用管芯连接、键合线材料以及先进的碳化硅（SiC）电源模块等新材料和新技术会大大提高器件的可靠性，将许多故障诱因最小化甚至消除，但这些新材料和新技术仍处于发展阶段，亦存在价格过高的问题。以SiC模块晶片为例，SiC金属氧化物半导体场效应晶体管（MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor，MOS-FET）的栅极氧化物层非常脆弱，其承受的电场强度可能达到同类额定Si器件的3倍左右。因此，传统的电力电子器件仍可能在未来较长的一段时期内占据市场。

1.1芯片相关失效机理。1）介电击穿。介电击穿是由于累积缺陷导致的栅极氧化物退化而导致的（Time-DependentDielectricBreak-down，TDDB）。介电击穿有3种失效机制，即碰撞电离、高电场下的阳极空穴注入、工作电压条件下产生的陷阱。当设备遭受严重的电或热应力时，会发生急性和严重的介电击穿。在介电击穿现象发生后，在MOSFET中可发现栅极电流的升高和漏极电流的降低现象。2）闩锁效应。闩锁效应在绝缘栅双极型晶体管（Insu-lated-GateBipolarTransistors，IGBT）和MOSFET中都可能发生。如果未及时消除闩锁效应，则任何一个高电平电流的出现都有可能破坏设备。一般来说，当电压相对于时间变化率较高时，便会造成MOSFET和IGBT的闩锁现象。此外，若IGBT在高温下工作，也可能导致闩锁现象的出现。3）电迁移。电迁移的定义是指由硅互连中的高电流密度引起的金属迁移。金属连接之间形成的空隙，会导致电阻增大，甚至导致断路故障的发生。

1.2封装相关失效机理。功率模块广泛应用于大功率的用电设备中，故现有的研究中大多是针对在大功率用电设备中功率模块的失效机理。以IGBT功率模块为例，其通常以多层结构构建，如图1所示。其主要由芯片、直接覆铜（DirectBondedCop-per，DBC）陶瓷基板和底板构成，层间通过焊料焊接[2]。键合线通常用于连接不同的芯片并实现内部芯片与外部电路的连接。下面介绍两种失效机理：1）键合线失效。键合线失效进一步分为两种：焊线剥离和焊线脚跟开裂。键合线剥离的主要原因是Si和Al接触区域之间的CTE不匹配。在温度循环期间，导线和器件之间会产生裂纹，最终导致键合线脱落。断裂疲劳被认为是造成键合线脚跟开裂主要原因。当器件经受温度循环时，键合线顶部的位移循环会造成弯曲角的交替现象。2）焊料疲劳。如图1所示，在典型的电源模块中通常有两层焊接层。一层在Si芯片和DBC之间，另一层在DBC和底板之间。DBC和底板之间较大的CTE不匹配使其更容易受到焊接疲劳的影响。温度和功率循环会焊接附着层中产生空隙和裂纹，随着温度循环的升高，这一现象会更加严重。空隙会导致热阻抗的增加，导致温度升高加速空隙的形成。换言之，芯片温度与空隙的形成呈正相关。最终，过多热量的聚集会对器件造成严重的损害。而过热可能是造成闩锁的根本原因。因此，与封装相关的故障有时会导致与芯片相关的故障。

2寿命预测方法

寿命预测是一项研讨设备在规定的运行工况下能够安全运行多长时间的工作[3]。当前，电力电子器件的寿命预测方法模块主要有两种。1）基于失效机理的预测方法。尽管到目前为止的研究已经对各种失效机理有了较深的认识，但是现有的寿命预测模型还是主要集中在与封装相关的失效机理。2）基于故障前兆参数的预测方法。该方法是故障预测与健康管理（Progn-osticsHealthManage-ment，PHM）方法的重要组成部分，且已经应用在各类预测软件中以提供器件剩余使用寿命（RemainingUse-fulLife，RUL）的预测。相较于第一种方法，该方法提供了以分钟、天等实时单位的，较为准确的剩余可用时间，而不是仅为寿命预测提供失效点的循环数。

2.1基于失效机理的寿命预测。现有模型的预测主要基于两种失效机理，即键合线失效和焊料疲劳[4]。而每种失效机理的模型并不是互斥的，因为这两种失效机理都是源于接触区域中的CTE不匹配。该类预测模型可以分为两类：经验模型和基于物理失效模型（PhysicsofFailure，PoF）。该类预测模型中的多数是以结温摆动（△Tj）和平均结温（Tm）等参数建立关于失效周期（Nf）的函数。通常键合线失效发生在键合接口处或键合跟处。对于焊料疲劳而言，往往用焊料处的损坏程度的临界点来定义，若超过了损坏临界点，则表明出现了焊料疲劳失效。

2.2实时生命周期估算。基于经验模型和PoF模型，可以对实际应用中的电力电子器件进行寿命预测或退化水平评估。在进行检测实验和仿真分析中，温度量比机械量（塑性应变）更容易获取。诸如塑性应变和应变应力等参数通常通过热机械有限元分析（Finiteelementanalysis，FEA）获得，FEA不仅需要器件的温度曲线，且还需要获取器件的特性参数和器件几何形状。换言之，PoF模型相较于经验模型而言，需要更多的仿真实验来获取器件的各类参数。经验模型直接利用器件温度估计失效点的循环数，但无论是经验模型还是PoF模型都仅考虑了特定条件，即固定的平均结点温度和温度摆幅，而功率模块的负载曲线会随时间变化。为了解决这个问题，引入Miner’s法则对其进行解释，Miner’s法则表明破坏效果可以线性累积，一般形式下的Miner’s法则如下式所示：LC=（n1/Nf1+n2/Nf2+n3/Nf3…+nk/Nfk）其中，LC是已消耗的器件寿命百分比，nk是某个工作点的实际周期，Nfk是工作点的实效周期。为获取在某个工作点获得nk值，需要利用周期计数法从器件的温度历史记录中提取有用的信息。而雨流计数法则是使用最广泛的一种周期计数法[5]。针对相同温度曲线，使用不同的周期计数法，结果会略有不同，从而导致寿命预测结果的偏差。因此，选择适当的周期计数方法有助于提高估计精度。然而，在现有研究中，对各种周期计数法的使用仍缺乏明确的应用场景规定。

3结语

基于电力电子器件的失效机理进行其寿命预测具有很好的实用价值，其发展前景仍是机遇和挑战并存。如在大多数情况下，加速老化试验仍然是针对单一的失效模式来进行的，栅极氧化层退化，闩锁、短路、键合线疲劳等，而并非多重的失效模式。然而在器件实际的老化过程中，导致其失效原因往往有多种，如何能在进行老化试验中同时模拟多种因素的影响是未来值得研究的课题。此外，在许多实际应用中，所有故障前兆参数并不能无法准确获取，从而限制了其寿命预测工作的进行。而一些新型材料的出现，如超宽带半导体，给当前的研究提供了新的课题，针对其可靠性的研究是未来研究的热点。

作者:杨书明 蒋知明 曾镖 单位:荆楚理工学院 电子信息工程学院