碳化硅功率模塊可靠性：Wolfspeed 的功率循環(huán)與壽命建模方法

Mauro Ceresa，Wolfspeed 現(xiàn)場應用工程高級總監(jiān)

Robert Shaw，Wolfspeed 功率模塊可靠性高級經(jīng)理

引言

碳化硅 (SiC) 功率器件在汽車、可再生能源、工業(yè)電動交通和航空航天市場的快速應用，重新定義了系統(tǒng)要求。傳統(tǒng)的認證已不再足夠?？蛻衄F(xiàn)在要求耐久性，確保系統(tǒng)能夠在惡劣環(huán)境下持續(xù)運行數(shù)十年，且停機時間最短。

交通電氣化、可再生能源集成和工業(yè)自動化對功率半導體模塊提出了前所未有的要求。可靠性、耐久性和壽命預測至關重要，特別是在失效不可接受的汽車和工業(yè)應用中。本文概述了 Wolfspeed 在碳化硅 (SiC) 功率模塊中應對功率循環(huán)挑戰(zhàn)的方法，探討了失效模式、測試方法、壽命建模以及公司為在苛刻條件下實現(xiàn)長使用壽命而設計的高性能模塊產(chǎn)品組合。

填補可靠性與耐久性之間的空白

電力電子標準和認證涵蓋了許多可能的實際案例，但并非全部。一個模塊可以通過所有標準可靠性測試，但由于常規(guī)認證協(xié)議未捕獲到的特定應力，而在現(xiàn)場使用中過早失效。

例如，HTRB用于測試器件在高溫條件下的性能，但隨著時間的推移，監(jiān)管機構增加了其它更具壓力的測試： HV-H3TRB ，用于同時測試器件在高溫、高濕和高電壓條件下的性能。

實驗室可靠性與現(xiàn)場耐久性之間的這種差距，推動了對更復雜測試方法的需求，特別是功率循環(huán)分析，它已成為實際應用中系統(tǒng)壽命最相關的指標。

當我們以創(chuàng)建壽命模型為最終目標來討論功率循環(huán)時，沒有通過或失敗的循環(huán)次數(shù)要求。這意味著器件在不同條件下進行測試直至失效，但循環(huán)次數(shù)很少而失效的產(chǎn)品與循環(huán)次數(shù)非常多而失效的產(chǎn)品的測試方式并無不同。

閱讀本白皮書，了解Wolfspeed 針對系統(tǒng)耐久性新性能期望的可靠性方法。

功率循環(huán)基礎

溫度變化會引起材料的尺寸變化——通常是加熱時膨脹，冷卻時收縮。這種尺寸變化的幅度是材料特定的，并由熱膨脹系數(shù) (CTE) 表征。

對于功率模塊，這一點變得尤為關鍵，因為襯底組件由多種不同的材料以分層結構鍵合在一起組成，每種材料對熱循環(huán)的響應都不同（圖 1）。

圖 1：Wolfspeed XM3 碳化硅 (SiC) 功率模塊

橫截面多層結構圖

功率循環(huán) (Power cycling, PC) 測試是在實際熱應力條件下評估碳化硅 (SiC) 模塊耐久性的最合適方法。其基本原理是對功率模塊施加重復的電流脈沖（圖 2），在器件結構內產(chǎn)生受控的溫度擺動，模擬實際運行期間經(jīng)歷的加熱和冷卻循環(huán)。

測試過程圍繞三個關鍵應力參數(shù)展開，這些參數(shù)共同決定了器件的壽命。溫度擺動 (ΔTj) 代表芯片結的峰值工作溫度與其冷卻基準之間的溫差。

最高結溫 (Tj,max) 定義了每個循環(huán)期間達到的絕對峰值溫度，它影響熱膨脹的幅度和老化機制的激活能量。脈沖持續(xù)時間 (ton) 決定了器件在高溫下保持的時間，影響熱量穿透襯底層的深度，以及封裝結構內達到的熱平衡程度。

功率循環(huán)需要在各種工作條件下（特別是不同的 Tj,max、ΔTj和 ton）將樣品運行至壽命終止。通過在每種條件下測試多個單元，我們可以提取這些參數(shù)與循環(huán)壽命之間的關系，這是構建預測壽命模型的基礎。

Wolfspeed 采用的功率循環(huán) (Power cycling, PC) 測試通過 / 失敗標準與 AQG 324 車規(guī)標準一致。主要監(jiān)控兩種失效模式：

第一個標準是檢測到 VDS上升 +5%，這代表了在整個功率脈沖期間維持負載電流 (IL) 所需的電壓。該指標專門識別可歸因于芯片頂部連接、芯片脫離或任何其它類型的電接觸失效的功率循環(huán)失效，這些失效通常表現(xiàn)為 VDS的突然尖峰。

第二個標準是熱阻 (RTH) 增加 +20%。系統(tǒng)通過測量關斷期間體二極管的正向電壓來測量芯片的熱響應，從而在每個周期計算 RTH。當 RTH增加時，表示功率模塊的多層結構的熱耗散退化，損害了從芯片到散熱器的導熱性能。

圖 2：功率循環(huán)波形及相關參數(shù)

兩種不同的測試配置已成為行業(yè)標準。PCsec測試采用幾秒鐘的脈沖持續(xù)時間，將熱應力集中在芯片附近，主要針對芯片頂部連接和芯片底部貼裝界面。PCmin測試使用大于 15 秒到幾分鐘的 ton脈沖，允許熱量更深地穿透襯底層，并對焊點和基板或封裝部分施加應力。這種區(qū)別至關重要，因為不同的失效機制在不同的時間應力配置下占主導地位，需要對兩種狀態(tài)進行全面測試才能完全表征模塊的耐久性。

典型的測試配置采用以下值：

ΔTj= 75 - 125 °C，Tj,max= 125 - 175 °C，

PCsec的 ton< 5 s， PCmin?的 ton?> 15 s。

圖 3 說明了不同 ton持續(xù)時間對功率循環(huán) (Power cycling, PC) 測試結果的影響。

相反，延長的脈沖持續(xù)時間 (PCmin) 允許熱量擴散到整個襯底組件，將應力分布在芯片頂部和整個襯底附著界面上。因此，較長的脈沖周期對模塊施加了更大的整體應力，導致在每個周期的基礎上顯著加速退化。

圖 3：PCsec 和 PCmin 可以研究不同類型的失效

硅 (Si) 與碳化硅 (SiC) 的失效機制

從硅 (Si) 功率器件向碳化硅 (SiC) 功率器件的轉變改變了功率模塊內的機械應力分布，需要重新全面評估失效機制和封裝方法。

傳統(tǒng)的硅 (Si) 模塊通常表現(xiàn)出明顯的失效模式，包括由于熱機械疲勞導致的鍵合線剝離、由于差異熱膨脹導致的焊點開裂，以及在持續(xù)熱循環(huán)下鋁金屬化重構（見圖 4 和圖 5）。

碳化硅 (SiC) 器件因其優(yōu)越的材料特性而帶來了獨特的挑戰(zhàn)。碳化硅 (SiC) 更高的楊氏彈性模量和導熱性，在實現(xiàn)卓越電氣性能的同時，也顯著放大了傳統(tǒng)封裝結構內的機械應力。增加的導熱性產(chǎn)生更陡的溫度梯度，而更高的模量則將熱膨脹失配轉化為材料界面處更大的機械力。因此，采用傳統(tǒng)封裝架構的碳化硅 (SiC) 器件通常表現(xiàn)出比同等硅 (Si) 器件更短的功率循環(huán)壽命。

專門為碳化硅 (SiC) 應用開發(fā)的先進封裝技術旨在通過材料和結構創(chuàng)新來緩解這些挑戰(zhàn)。銅連接線取代了傳統(tǒng)的鍵合線，提供了更低的電阻路徑和更好的熱機械穩(wěn)定性。銀燒結替代了傳統(tǒng)的焊接，提供了卓越的熱導率和電導率，同時在熱循環(huán)下表現(xiàn)出更高的可靠性?；钚越饘俸附?(Active Metal Brazing, AMB) 襯底取代了直接覆銅板 (Direct Bonded Copper, DBC) ，改進了熱膨脹匹配。

然而，這些先進的封裝方法引入了它們自己潛在的失效模式。燒結界面雖然比焊點更堅固，但可能通過空洞形成和銀遷移經(jīng)歷逐漸退化。銅連接線可能通過鍵合界面處的疲勞或幾何過渡處的應力集中而失效。這些先進封裝的復雜性創(chuàng)造了多個潛在的失效路徑，需要通過功率循環(huán)分析進行全面表征。

圖 4：鍵合線退化失效示例

圖 5：芯片貼裝退化的證據(jù)

Wolfspeed 的 YM4 功率模塊系列采用銅連接技術、燒結芯片貼裝和環(huán)氧樹脂封裝，在相同尺寸下，其功率循環(huán)次數(shù)比同類最佳競爭對手器件多 3 倍（圖 6）。

了解更多關于 WolfspeedYM4 功率模塊系列https://www.wolfspeed.com/products/power/sic-power-modules/ym-power-module-family/?generation=Gen%204

圖 6：YM4 功率循環(huán)能力與相同尺寸下其它解決方案的比較

測試方法與測量

Wolfspeed 的功率循環(huán)方法遵循標準化測試協(xié)議，同時結合了獨特的改進，提高了測試精度與實際應用的相關性。測試基礎設施使用能夠同時測試多個模塊的商業(yè)功率循環(huán)設備（圖 7），通過在相同的應力條件下同時測量多個器件，實現(xiàn)了高效的數(shù)據(jù)收集，同時保持了統(tǒng)計嚴謹性。

圖 7：可同時測試多達 12 個半橋功率模塊

芯片結溫測量是該方法的一個關鍵方面，需要高精度和快速響應時間。此操作通常根據(jù)圖 8 所示的示意圖，使用體二極管正向電壓 (VF) 來完成。

該過程首先執(zhí)行溫度校準，以確定 VF和 Tj之間的關系。該過程使用冷卻劑使器件工作在不同溫度，同時測量每個溫度點下的體二極管正向電壓。

圖 8：體二極管正向電壓測量確定芯片結溫

這生成了一系列表征電壓-溫度關系的校準曲線。然后使用多項式函數(shù)對這些曲線進行數(shù)學擬合（圖 9）。

圖 9：有了校準曲線，我們可以使用測得的 VF 來確定 Tj（來源：Wolfspeed）

一旦確定了校準曲線，測試周期遵循以下步驟進行：

器件開啟，并在 ton期間通過溝道施加恒定電流。選擇溝道電流是因為它更好的被控制并更準確地代表實際應用條件。在開啟狀態(tài)期間，VDS用作失效標準模式的判定。

器件關斷，并在 toff期間通過體二極管施加恒定測試電流。在此階段使用體二極管是因為其正向電壓表現(xiàn)出高溫度敏感性，并且可以在低電流水平下測量，避免不必要的功率損耗。在關閉狀態(tài)期間，如果使用體二極管測試，則測量 Vf作為結溫的指示，并進行分析以計算 RTH，RTH在同一標準下作為附加的壽命參數(shù)。

之前的開關循環(huán)不斷重復，測試持續(xù)進行直至失效。

圖 10 顯示了應用 PCsec測試獲得的 VDS和 RTH隨循環(huán)次數(shù)的變化曲線。請注意兩個失效標準的應用方式。第一個失效標準，是發(fā)生失效時的漏源電壓值 VDS相對于初始值增加 5%。而熱失效標準對應于 RTH增加 20%（在所提出的用例中尚未達到）。圖中的 VDS垂直增加是由于鍵合線失效。

圖 10：VDS 和 RTH 隨循環(huán)次數(shù)的趨勢（來源：Wolfspeed）

構建壽命模型

將功率循環(huán)測試數(shù)據(jù)轉換為預測壽命模型，使得能夠從加速測試條件外推到實際應用配置文件。Wolfspeed 的方法包括對三個主要應力變量進行系統(tǒng)性的參數(shù)掃描，以建立應力條件 (ΔT、Tjmax和 ton) 與循環(huán)至失效之間的經(jīng)驗關系。

壽命模型構建從測試矩陣的設計開始，需要仔細選擇應力條件 (ΔT、Tjmax和 ton)，以平衡測試持續(xù)時間限制與模型精度要求。更高的應力水平會加速失效，從而實現(xiàn)合理的測試完成時間，但過度的加速可能會激活非代表性的失效模式。

將模型應用于應用配置文件需要對實際運行條件進行復雜分析。通過電熱仿真將客戶配置文件分解為熱循環(huán)，生成時間序列的結溫數(shù)據(jù)。雨流循環(huán)計數(shù)算法從這些復雜的波形中提取等效的熱循環(huán)，從而通過累積損傷計算實現(xiàn)壽命模型的應用。 分析結果（圖 11）為特定操作場景提供了定量的壽命預測。

圖 11：功率模塊壽命建模過程

Wolfspeed 的產(chǎn)品組合展示了封裝技術如何直接影響功率循環(huán)性能，其中針對不同細分市場和應用需求優(yōu)化了不同的方法。

Wolfspeed WolfPACK 模塊系列使用壓接技術，最適合需要中等功率循環(huán)能力且對成本敏感的應用。這些模塊取消了傳統(tǒng)的基板，利用壓接端子進行電氣連接并簡化熱管理。這種創(chuàng)新方法消除了對于傳統(tǒng)焊點的需求，減輕了焊接疲勞的風險。它的專有芯片焊接技術和鍵合線設計，使其擁有領先于其他選項的業(yè)界領先性能。

關于Wolfspeed WolfPACK 模塊更多詳細信息https://www.wolfspeed.com/products/power/sic-power-modules/wolfspeed-wolfpack-sic-power-modules-family/。

YM 產(chǎn)品組合代表了 Wolfspeed 的車規(guī)級六管集成解決方案，融合了專門為極度高可靠性應用設計的先進封裝技術。這些模塊采用銅互連取代傳統(tǒng)的鍵合線，提供卓越的載流能力和增強的熱機械可靠性。芯片貼裝采用銀燒結技術，與傳統(tǒng)的焊接相比，提供了改進的熱性能和電性能，同時表現(xiàn)出卓越的抗熱循環(huán)退化能力。活性金屬釬焊 (Active Metal Brazing, AMB) 襯底提供了優(yōu)化的熱膨脹匹配，進一步增強了可靠性。

關于YM 產(chǎn)品組合更多詳細信息https://www.wolfspeed.com/products/power/sic-power-modules/ym-power-module-family/?generation=Gen%204。

單開關塑封模塊 (TM 系列) 提供了一種緊湊的封裝解決方案，結合了高可靠性和減少的外形尺寸要求。這些模塊包含許多與 YM 模塊相同的先進技術，包括銅互連和燒結芯片貼裝，但使用塑封進行環(huán)境保護，而不是傳統(tǒng)的殼體方法。這種封裝策略使得能夠集成到空間受限的應用中，同時保持車規(guī)級的可靠性性能。塑封方法還有利于表面貼裝組裝工藝，在行業(yè)標準尺寸內實現(xiàn)設計靈活性。

關于單開關塑封模塊 (TM 系列)更多詳細信息https://www.wolfspeed.com/products/power/sic-power-modules/tm_single_switch_power_module_family/。

功率循環(huán)結果說明了封裝技術對應用壽命的巨大影響。在相同應力條件下的測試表明，環(huán)氧樹脂封裝的 WolfPACK 模塊比硅凝膠封裝的同類產(chǎn)品實現(xiàn)了顯著改進，而 YM 和塑封產(chǎn)品中的先進封裝方法將壽命比傳統(tǒng)封裝技術延長了數(shù)量級。這些改進直接轉化為最終用戶維護需求的減少、系統(tǒng)壽命的延長以及總擁有成本的降低。

了解更多關于 Wolfspeed如何推進碳化硅封裝技術提升。

預測性耐久性

功率循環(huán)分析的實際應用遠遠擴展了實驗驗證，為系統(tǒng)設計人員提供了量化工具，用于優(yōu)化應用壽命、預測維護需求并最小化總擁有成本。Wolfspeed 的綜合方法包括標準化分析和應用配置文件模擬。

可靠性分析始于詳細的應用配置文件，包括運行條件數(shù)據(jù)，如負載循環(huán)、環(huán)境溫度變化和占空比模式。通過執(zhí)行電熱仿真，可以將這些運行條件轉換為結溫曲線，同時考慮功率模塊內部和整個系統(tǒng)熱管理架構的熱動力學。先進的雨流計數(shù)算法將復雜的熱波形分解為等效的功率循環(huán)條件，從而能夠直接應用實驗室導出的壽命模型。

由此產(chǎn)生的耐久性預測支持預測性維護策略，從而優(yōu)化系統(tǒng)可用性，同時最大限度地降低維護成本?？蛻艨梢詫嵤┗跔顟B(tài)的維護計劃，該計劃考慮了實際運行歷史和預測的剩余使用壽命，而不是依賴于保守的基于時間的更換計劃。這種方法在停機成本遠遠超過模塊更換成本的應用中（例如可再生能源裝置或工業(yè)自動化系統(tǒng)）尤其有價值。

設計優(yōu)化代表了另一個重要的價值主張，即功率循環(huán)分析指導系統(tǒng)架構決策以最大化耐久性。策略包括增強熱管理以降低 ΔTj、并聯(lián)模塊以分布熱應力，以及優(yōu)化運行參數(shù)以最小化累積損傷。這些設計修改通常以最小的成本影響實現(xiàn)顯著的壽命改進，從根本上改進了系統(tǒng)的經(jīng)濟性。

將功率循環(huán)分析集成到客戶設計流程中，最終實現(xiàn)了從被動到主動的壽命管理的轉變，將功率模塊可靠性從一個不確定的變量轉變?yōu)榭闪炕脑O計參數(shù)，可以與其他系統(tǒng)特性一起進行優(yōu)化。

結論

功率循環(huán)分析解決了在苛刻環(huán)境下應用下壽命評估的基本挑戰(zhàn)。從傳統(tǒng)可靠性測試到復雜耐久性建模的演變，反映了對電力電子產(chǎn)品的期望壽命不斷提高，因為它們已成為汽車、可再生能源和工業(yè)領域關鍵基礎設施不可或缺的一部分。

Wolfspeed 的綜合方法結合了先進的封裝技術、嚴格的測試方法和預測建模能力，在系統(tǒng)耐久性和可靠性方面提供了可量化的改進。公司的產(chǎn)品組合展示了有針對性的封裝創(chuàng)新如何實現(xiàn)功率循環(huán)壽命的數(shù)量級改進，同時為不同的細分市場提供具有成本優(yōu)勢的解決方案。

關于 Wolfspeed, Inc.

Wolfspeed（美國紐約證券交易所上市代碼：WOLF）在全球范圍內推動碳化硅技術采用方面處于市場領先地位，這些碳化硅技術為全球最具顛覆性的創(chuàng)新成果提供了動力支持。作為碳化硅領域的引領者和全球最先進半導體技術的創(chuàng)新者，我們致力于為人人享有的美好世界賦能。Wolfspeed 通過面向各種應用的碳化硅材料、功率模塊、分立功率器件和功率裸芯片產(chǎn)品，助您實現(xiàn)夢想，成就非凡(The Power to Make It Real)。