功率模塊的溫度限制，第2部分：壽命其它頭條網

2019-03-15 10:34:45 EEtoday

在第1部分中，討論了最大結溫的極限。在第2部分中，將使用來自現實生活應用的示例來說明由於溫度循環引起的磨損引起的第二熱限制。

介紹

在任何電力電子設計中都應仔細考慮由於溫度循環引起的功率模塊磨損的影響，特別是在具有高週期性負載和長壽命要求的應用中。半導體封裝使用不同的材料構造，這些材料具有不同的熱膨脹率，表示為熱膨脹係數CTE。溫度循環在不同材料中引起應力，最終導致這些材料之間的接頭退化。在具有基板的典型功率模塊中，這種劣化發生在三個位置：在芯片級，在鍵合線連接到芯片的頂部金屬化表面的頂側; 在芯片焊接到直接銅焊（DCB）陶瓷的底側和DCB陶瓷與底板之間的系統焊點中。通過有源功率循環測試實現芯片級的長期溫度循環測試，其中典型的溫度循環持續幾秒，稱為功率循環秒（PCsec）測試。對於系統焊料，測試溫度循環持續幾分鐘，稱為功率循環分鐘（PCmin）測試。

圖1：用於溫度變化模擬的中心DCB的四個角。

轉換器設計要求

此處顯示的應用示例適用於三相併網轉換器。轉換器的壽命規格是為了滿足12年的24/7壽命。該設計基於英飛凌科技公司安裝在風冷散熱器上的300A 1200V EconoDUAL™3模塊。最終用戶通過測量以1秒間隔採樣的典型5天時間段內的負載來提供應用的任務簡檔。

方法

壽命估計分為以下五個步驟。

1. 使命簡介。這描述了在典型時間段內最終應用中的實際操作條件。這可能是任何計算中最難的部分，因為實際數據通常不可用。如果沒有可用的實際數據，建議使用對任務概況的最佳估計進行分析。

2. 損失計算。計算半導體損耗，因為它們在任務剖面的時間段內發生變化。通常可以使用簡單的計算來確定PCsec或PCmin是否是給定配置文件的限制壽命因子，以減少所需的計算次數。

3. 溫度變化。使用模塊的熱模型，可以計算任務輪廓期間芯片和系統焊料層的溫度變化。如果PCsec是限制因素，則應計算IGBT和二極管芯片的溫度變化。

4. 雨流量化。使用雨流方法算法，可以從溫度分佈中提取ΔT偏移，然後量化或分組成它們的不同ΔT範圍。例如，27.5°C和32.5°C之間的所有ΔT偏移可以在同一個箱中組合在一起，ΔT為30°C

5. 供應商數據的生命週期估計。可以使用顯示由模塊供應商提供的特定ΔT水平的統計退化的圖來估計ΔT事件的每個倉的消耗壽命百分比。然後可以將所有箱的壽命百分比相加，以提供在整個任務剖面上使用的設計壽命的總百分比。注意，這確實假設所有降級將線性地相加。

工作示例

任務簡介和損失計算器

最終用戶為裝載任務配置文件提供了超過400,000個數據點，第一步是以某種方式減少用於分析的數據點數量; 但是如何確定哪些時間段是典型的還是最壞的情況？為了幫助進行初始評估，數據被分成135個塊，每個塊包含3200個樣本（大約53分鐘的數據）。整合每個塊的負載值並繪製具有最高級別的塊。選擇一個塊用於分析，其使用工程判斷具有顯著的負載峰值和谷值，其產生大的ΔT。使用英飛凌的在線工具Iposim，計算了IGBT和二極管芯片的幾個負載點的損耗。曲線擬合應用於這些損失與加載點可以在任何負載點進行簡單的損耗插補。注意這裡的任務被簡化，因為（電網的）基頻和IGBT的開關頻率都是固定的。當涉及更多變量時，這種損失估計變得更加複雜。在對溫度變化進行初始估算計算之後，顯然PCmin將是限制因素，因為在電網基頻處，芯片上存在低溫紋波。

溫度變化與雨流量化

計算的下一步是估算DCB和基板之間的焊料層在損耗曲線上的溫度變化，因為該焊料層的任何退化，以及由此導致的芯片熱阻增加主要取決於溫度，ΔT。使用模塊的有效元模型（FEA），可以模擬DCB拐角處系統焊料層的溫度，見圖1。使用角是因為這是應力最高的地方以及降解或分層開始的地方（1）。

圖2：DCB溫度隨5秒功率脈衝的溫度變化。

圖2顯示了10秒負載循環期間的溫度變化。運行完整的FEA模型以獲得53分鐘的瞬態損耗曲線是不切實際的。一種更簡單的方法是使用FEA模型推導出電氣等效電路Foster模型，該模型描述了焊料層在動態功率損耗方面的瞬態熱特性。通過在FEA模型中將恆定功率應用於IGBT和二極管芯片，可以推導出該模型。一旦達到穩態溫度，則移除功率，並記錄系統焊料層角落的平均溫度的冷卻曲線，參見圖3。