基于失效物理的功率器件疲劳失效机理

征稿通知

第四届轨道交通电气与信息技术国际学术会议

阅读征文通知，请戳上面标题  ▲

联合主办

中国电工技术学会

北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室

联合承办

中国电工技术学会轨道交通电气设备技术专委会

国家高速列车技术创新中心

《电气技术》杂志社

会议日期/地点

2019年10月25-27日/山东青岛

摘要

华南理工大学电力学院、比亚迪股份有限公司的研究人员王学梅、张波、吴海平，在2019年第4期《电工技术学报》上撰文指出，在功率器件的长期运行中，不断承受的温度和应力变化，加快了材料的疲劳失效。此外，新能源技术的发展对电力电子变流器的功率密度也提出了越来越高的要求，这些都给高可靠性功率器件的设计提出了新的挑战。失效物理（PoF）是在分析失效过程和疲劳机理的基础上，通过建模和仿真预测可靠性的一种方法，是研究疲劳失效的重要手段。

本文首先介绍疲劳失效的基础理论。然后，从实验、仿真方法、解析模型和疲劳方式等方面介绍功率器件键合线和焊料层疲劳机理及主要研究进展，在此基础上，分析功率循环下功率器件的疲劳至失效全过程。最后，从多环境应力、动态载荷工况和可靠性设计三个方面，展望基于失效物理的电力电子可靠性研究方向。

近年来，随着新能源发电、轨道交通、智能电网、电动汽车等新兴产业的蓬勃发展，IGBT等功率器件也得到了前所未有的广泛应用。据工业界调查报告显示，功率器件是电力电子系统中最不可靠的部分之一，占变流系统失效的34%。

研究表明，直接影响功率器件失效的原因是温度、振动、湿度、污染和灰尘。在功率器件的长期运行中，不断承受温度变化、应力变化，加快了材料的疲劳失效。另一方面，新能源技术的发展对功率变流装置的功率和功率密度提出了更高的要求，同时增加了设计难度、降低了设计裕量、增加了失效的可能性。因此，功率器件为什么、何时以及如何失效，是设计高可靠性电力电子变换器的新挑战，也是新一代电力电子科研和工程技术人员需要了解的重要知识。

疲劳失效是一种复杂的物理过程，仅通过传统的实验手段来分析功率器件的疲劳失效显然是不充分的。丹麦奥尔堡大学Blaabjerg教授指出，改善电力电子可靠性需要多学科交叉，并仿照电力电子技术的倒三角定义给出了电力电子可靠性（power electronics reliability）的多学科交叉关系，如图1所示[4]，包括可靠性设计（design for reliability）、可靠性校验和监测（verification and monitoring）、可靠性解析物理（analytical physics）。

其中，可靠性解析物理包括失效物理（Physics-of-Failure,  PoF）和元器件物理（component physics）。失效物理（PoF）概念最早在1962年由美国空军罗姆航空发展中心正式提出，是在分析失效过程和机理的基础上，通过建模和仿真预测可靠性的一种方法。

图1  基于多学科交叉的电力电子可靠性

电力电子功率器件的性能在很大程度上依赖于封装技术，文献[8]指出，封装技术经过不断改进，传动领域使用的IGBT的失效率从1995年的1 000 FIT（109h中总失效时间）下降到2000年的20 FIT。PoF不仅是可靠性预测工具，也是增加器件可靠性的必备技术。

现在基于PoF的可靠性评估方法已经广泛地运用于电力电子功率器件，如采用失效物理研究功率器件封装的疲劳机理，研究新的建模方法和仿真工具等。通过这些研究，可以优化器件封装设计、材料选取和制造工艺，确保在满足未来产品设计的适用性、效率和成本的同时，提高系统的可靠性。

PoF的研究目的是识别潜在失效的根源，通过应力和破坏模型，建立在一定运行条件下失效和寿命的联系。但PoF研究对于电力电子工程人员来说，是一件比较困难的工作，原因不言而喻，因为PoF研究除涉及电气工程外，还包括材料学、力学等多学科的交叉。

因此，本文首先简单介绍了材料力学的基本理论。然后，从实验、仿真和建立解析模型三个方面介绍了键合线失效的主要研究进展；从裂纹、分层和空洞三种疲劳模式，介绍了焊料层疲劳主要失效机理。在此基础上，分析和总结了功率器件的综合疲劳过程。最后，从多环境应力下、动态载荷工况下和电力电子可靠性设计三个方面，展望了基于失效物理的电力电子变换器的可靠性研究方向。

图2  IGBT结构

图14  功率循环实验中功率器件的疲劳失效综合过程

结论

功率器件的封装已经成为电力电子器件发展的一项关键技术，面临着很多挑战：①功率器件的电流密度不断增加；②功率器件产生的热量不断上升；③高速开关过程对寄生电感和电容要求更严苛；④满足宽禁带器件高温工作下的新材料和互联工艺。功率器件需要芯片面积更小、工作温度更高、承受应力更大、寄生参数更小的设计，需要在结构设计、使用材料、制造技术等方面不断地创新。

功率器件的PoF研究对达到这些技术指标具有举足轻重的作用，是未来高性能电力电子变换器设计的重要环节。在设计阶段进行PoF分析，除了能更好地理解和识别失效根源，还能够较容易修改设计，降低反复修改和测试时间，减小决策风险。

对于电力电子和功率器件研究人员，未来可以开展以下方面功率器件的PoF研究：

1）分析对多种环境应力（包括热、振动、湿度等）综合作用下的功率器件失效机理和进程。功率模块的失效不仅涉及热应力，功率模块的寿命还受封装（如导线直径、键接区域等）、材料（如焊料成分、基板材料等）、机械振动、湿度等影响。现有研究主要针对温度对功率器件老化和寿命的影响，较少分析多种环境应力作用下的功率器件失效进程。特别地，如何采用实验方法来验证功率器件多应力下的疲劳，目前没有一种被业界一致认可的方法。

2）分析动态载荷情况下功率器件的物理寿命模型，克服目前的物理寿命模型主要针对静态载荷有效的不足。同样的结温和结温波动，在器件的不同寿命阶段产生的影响效果不同，在寿命的后期显然将产生更严重的后果，然而现有研究仅将其作简单的线性累加，没有考虑不同载荷水平顺序对寿命的影响，即没有考虑历史原因，因此不能满足高准确度寿命模型的需求。

3）对电力电子系统可靠性的研究已经不再局限于对可靠性的测试和寿命预测，研究人员已经将目光转移到了可靠性设计（Design For Reliability, DFR）。根据PoF对功率器件封装进行优化，设计满足在实际复杂工况下（如风机的风速和电动汽车的城市运行工况）变换器功率器件，在确保变换器效率、体积和成本综合最优的同时，最大可能地提高系统的可靠性。