溫度變化對(duì)模塊壽命的影響

所有功率模塊內(nèi)部的熱循環(huán)變化都會(huì)導(dǎo)致模塊老化。原因是使用材料的熱膨脹性不同，所以它們之間熱應(yīng)力是連接疲勞甚至是斷裂。模塊的使用壽命和承受溫度變化的周期數(shù)就會(huì)隨著溫度變化的幅度T增加而降低。在幾赫茲到幾百赫茲的頻率范圍內(nèi)，功耗的變化不是由芯片的瞬態(tài)熱阻抗產(chǎn)生，它只導(dǎo)致模塊芯片一個(gè)很小的溫度波動(dòng)。

雖然在這個(gè)頻率下，T不是那么小和低能量，它會(huì)被彈性充填物吸收，對(duì)模塊的老化沒有什么影響，它對(duì)使用壽命不產(chǎn)生影響。工作在幾赫茲，而負(fù)荷變化在幾秒的范圍并會(huì)產(chǎn)生高溫時(shí)，比如，牽引驅(qū)動(dòng)，升降機(jī)及間歇脈沖應(yīng)用等，就會(huì)在模塊內(nèi)部產(chǎn)生溫度變化負(fù)載效應(yīng)，就會(huì)對(duì)模塊內(nèi)部的連接帶來考驗(yàn)，這些連接是：

導(dǎo)線連接

芯片底部的焊接

DCB 基板和底板的焊接

金屬同陶瓷片的熔接（銅在Al2O3 或者 AlN 板上）

在熱力學(xué)計(jì)算中必須進(jìn)行研究，看看 Tj 是否足夠大，以致使我們達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。這時(shí)，在觀察負(fù)載周期內(nèi)，溫差 Tj =Tj(max) -Tj(min)，我們這時(shí)使用的不是模塊的最大溫度Tj（最大值）。

負(fù)載周期數(shù)n 和溫度的變化幅度 TJ 的關(guān)系取決于很多因素，測(cè)量極其困難。在90 年代末，某研究機(jī)構(gòu)給出了第一個(gè)研究結(jié)果，它揭示了平均溫度Tjm對(duì)溫度變化的依賴性。利用一個(gè)參數(shù)整合調(diào)整對(duì)參數(shù)A、α 以及注入能量Ea，得出結(jié)果是使用壽命滿足下列公式：

如圖所示，當(dāng) Tj 大于30 K 時(shí)，負(fù)載變化的周期數(shù)隨著溫度變化幅度每上升20到30K 而下降百分之十。當(dāng)變化周期在幾秒到幾分鐘的范圍時(shí)，需要考慮低于30K 這些溫度振幅變化曲線。這些曲線是測(cè)試了由不同制造商生產(chǎn)的模塊得到的，并作為技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)給出。現(xiàn)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造工藝得到改善，所以現(xiàn)在的半導(dǎo)體模塊能達(dá)到更高的負(fù)載周期。

該曲線考慮到了平均溫度或在那一級(jí)溫度變化的影響。但是許多測(cè)試結(jié)果表明，如脈沖寬度ton 和電流幅度IB 等參數(shù)都對(duì)測(cè)試結(jié)果有影響，同樣，在AVT 中的參數(shù)，如導(dǎo)線的強(qiáng)度和導(dǎo)線的角度以及芯片和焊接層的厚度也會(huì)產(chǎn)生影響。經(jīng)過在各種測(cè)試評(píng)價(jià)，已經(jīng)提出一個(gè)擴(kuò)展模式。它的參數(shù)和有效限制和常數(shù)在下表中列出：

例如：如果一個(gè)元器件的負(fù)載周期數(shù)Nf，測(cè)試試驗(yàn)周期ton(Test)，脈沖寬度為ton(Anwendung)，結(jié)果是：

也就是說，當(dāng)應(yīng)用的脈沖寬度為1 /10 的測(cè)試周期時(shí)，使用壽命大約提高三倍。該模型給出了一個(gè)關(guān)于各種參數(shù)對(duì)負(fù)荷變化數(shù)影響的思考方法，因?yàn)槲锢韰?shù)的限制，使它對(duì)精確計(jì)算使用壽命的作用畢竟有限，因?yàn)椴皇撬械膮?shù)都是獨(dú)立的。例如，在大電流中產(chǎn)生一個(gè)小的 TJ 和寬脈沖是不可能的。或者，如當(dāng)脈沖寬度一定時(shí)，對(duì)同樣的 TJ ，不同的實(shí)驗(yàn)周期ton 需要不同的大電流。

審核編輯：劉清