怎么把需求以及功率半導(dǎo)體器件廠家做出試驗(yàn)的結(jié)果跟壽命評估的結(jié)果聯(lián)系起來，方式方法是什么呢？
本文為勵(lì)展博覽集團(tuán)及NE時(shí)代于4月25-26日聯(lián)合主辦的 "第三屆AWC2019新能源汽車三電系統(tǒng)開發(fā)與測試技術(shù)大會" 演講嘉賓的現(xiàn)場實(shí)錄。

演講人：英飛凌 科技有限公司資深主任工程師曲樹筍

演講主題：如何基于運(yùn)行工況計(jì)算驅(qū)動(dòng)器功率模塊的壽命？

曲樹筍：謝謝主持人，大家下午好！我是英飛凌汽車電子事業(yè)部工程師，我們負(fù)責(zé)的大功率IGBT模塊，以及碳化硅模塊，應(yīng)用是在三電里面的電驅(qū)部分。

今天議題主要是4個(gè)部分，第一個(gè)大家探討一下提到壽命一定會提到為什么會死掉？壽命會結(jié)束。還有一個(gè)會跟大家總體講一下壽命評估的組成部分有哪些？步驟和內(nèi)容是什么？還有是在方法里面的一些細(xì)節(jié)做一些討論，最后一個(gè)是怎么把需求以及功率半導(dǎo)體器件廠家做出試驗(yàn)的結(jié)果跟壽命評估的結(jié)果聯(lián)系起來，方式方法是什么？

先看壽命，故障的機(jī)理是什么？這是一個(gè)V字型，大家做開發(fā)都知道，從需求到最終的結(jié)果要滿足這個(gè)需求是這樣對下來的，這個(gè)圖沒有什么特殊的，后面會有細(xì)節(jié)講。主要是想強(qiáng)調(diào)拐點(diǎn)的地方是故障的機(jī)理作為支撐的，也就是說把整車的需求一步一步的分解，這邊是功率模塊廠家提供給大家壽命的數(shù)據(jù)，它們之間的連接點(diǎn)主要是在基于某一種故障的機(jī)理或者是故障的形式，是聯(lián)系起來的。

這一頁給大家介紹故障機(jī)理，因?yàn)槲覀冎繧GBT損壞是有很多原因，有一些是意外，有一些是正常的老化，壽終正寢只有這么長的壽命，活不了那么長時(shí)間。兩個(gè)主要的影響IGBT模塊壽命的都是跟熱和機(jī)械的互動(dòng)疲勞老化引起的。一個(gè)是離IGBT晶圓很近的地方上面的綁定線，但是這個(gè)是基于大部分的，綁定線是一個(gè)點(diǎn)。還有一個(gè)是焊接層，這個(gè)芯片的底部是跟DCB焊起來是連接，大部分的硅是焊上去的，當(dāng)然這個(gè)DCB跟散熱器的底板，大功率的IGBT的模塊也是有底板的，主要是焊錫，我們主要是考慮這兩層的故障失效。

因?yàn)橛袩岷蜎_擊造成反應(yīng)，自己會被加熱，然后熱會膨脹，因?yàn)檫@部分是通過不同，也可能是高溫，或者是高壓，或者是超聲波的技術(shù)壓上去，綁定上去的。然后它的故障現(xiàn)象基本上是兩種，一種是離開了，還有一種是自身會斷裂。焊錫層也是CTE的溫度系數(shù)不匹配造成的，這張圖是給大家一個(gè)示意是比較完好的狀況，這個(gè)就已經(jīng)開始分層，焊錫連接的部分會變的越來越小。

這個(gè)是整個(gè)壽命分析方法的過程，也就是說一開始OEM要給Tier1提一個(gè)運(yùn)行工況的要求，進(jìn)行任務(wù)目標(biāo)分解后，這里面包含了直流母線電壓，輸出電流，以及運(yùn)行環(huán)境的工況。一般來說是平均溫度是按月份來計(jì)算的，然后還有類似完整的一個(gè)循環(huán)，一共有多少個(gè)，還要告訴你要求多少多少年，10年，15年，30年的壽命，一般來說Tir1根據(jù)這樣的輸入計(jì)算你的損耗，IGDP，會得出一個(gè)這樣的Profile。但是這個(gè)結(jié)溫跟半導(dǎo)體給你的是很難對起來的，因?yàn)槭沁B續(xù)的模擬的結(jié)溫所以要做簡化處理，就是從這些結(jié)溫里面提取特征的部分，現(xiàn)在用的多的是預(yù)留法，要簡化，就像我們處理的FFT，或者是DFT，信息是包含了ΔT是什么，Tjmax占有的時(shí)間，當(dāng)然這一步有不同的做法，特征從這個(gè)表查出來，當(dāng)然我們也會給公式直接算，還有別的算法是把這些東西全部是用壓力等效的方式折成一個(gè)，就通過這張表求出來，這張表的橫坐標(biāo)是ΔT或者是K，這邊的縱坐標(biāo)是這樣的溫度循環(huán)這個(gè)器械的壽命能支持多少次，所以這個(gè)是Power cycling的圖表，然后一個(gè)一個(gè)疊進(jìn)來你會算一個(gè)總的，產(chǎn)生的實(shí)際要求的循環(huán)數(shù)占我在壽命允許的循環(huán)數(shù)的百分比，把所有的百分比加起來，總的百分比小于100%，就說明壽命是滿足要求的。

這個(gè)跟剛剛的有點(diǎn)像，只是具體的把計(jì)算過程寫出來，一般來說這個(gè)部分是由OEM提供的，OEM要給你要求，工況是怎樣，環(huán)境是怎樣。這個(gè)部分看情況，一般來說也是Tier1自己去計(jì)算的，有一些case也是需要英飛凌一起計(jì)算，英飛凌會提供電器的特性是什么，然后Tier1也會自己算了會有仿真驗(yàn)證，還是會用英飛凌的數(shù)據(jù)做參考，這個(gè)部分的Tier1不知道，一定是模塊廠家提供的壽命到底是多少，所以這些部分應(yīng)該是Tier1計(jì)算得出來的。

我們看一下這些細(xì)節(jié)，第一個(gè)是損耗的模型，因?yàn)榕e辦單位跟我說要深入一點(diǎn)，所以我就放了很多的公式在上面，其實(shí)大家不用管這些公式，我只是跟大家說一點(diǎn)，你實(shí)測的數(shù)據(jù)在實(shí)際計(jì)算的時(shí)候都是要用線性化的模型代替，否則的話你不太可能一個(gè)一個(gè)點(diǎn)去查這個(gè)表。而且基本上這個(gè)數(shù)據(jù)，比如說我們就以壓降為例，其實(shí)正常來說就是按照溫度，某一個(gè)溫度給你一條曲線，所以還是要把在不同溫度，不同的電流情況下導(dǎo)通壓降是多少，所以這個(gè)里面是有公式，因?yàn)槭荌GDP，在很小的時(shí)候有壓降，這個(gè)會隨著溫度的下降會降低，隨著電流的升高也是呈現(xiàn)類似線性增加的過程，就像一個(gè)電阻一樣，基本上大家看線性化是AX+B，但是你的實(shí)際結(jié)溫不可能剛剛好是125度，或者是150度，所以在中間溫度點(diǎn)做線性化的差值計(jì)算去處理，這個(gè)公式到處都可以看得到，這個(gè)是導(dǎo)通損耗的輸入，這個(gè)是開關(guān)損耗的輸入。

基本上也是線性化，電流是線性化的，電壓是線性化的，但是系數(shù)跟溫度的關(guān)系并不是一個(gè)線性化的，這個(gè)公式是通過業(yè)界認(rèn)可的模型模擬的，這個(gè)是經(jīng)驗(yàn)吧，我相信行業(yè)里頭都是用這個(gè)公式的，二極管稍微有一點(diǎn)特殊，電流是平方根的線性關(guān)系。

我們在算的也是這樣，把這些公式輸進(jìn)去，把這些基礎(chǔ)條件代進(jìn)去得到這些基本的參數(shù)，用來計(jì)算的。

這個(gè)是比一下，實(shí)際的損耗和剛剛上面公式簡化以后的差別，大致比較接近，所以這個(gè)里面電流小的時(shí)候簡化模型會過高的估計(jì)了損耗，當(dāng)然在進(jìn)入這個(gè)電流比較大的區(qū)域就非常接近了，那這個(gè)會在比較大電流的時(shí)候偏小一點(diǎn)，當(dāng)然二極管損耗也是類似會偏大一點(diǎn)。開關(guān)損耗是每一次開通，在每個(gè)電流的情況下單次損耗是多少，但是給的是長時(shí)間的正弦波電流，計(jì)算一個(gè)長周期的損耗是什么樣的。

開關(guān)損耗，導(dǎo)通損耗，IGBT二極管，如果大家用空間矢量調(diào)試在導(dǎo)通損耗里面多一個(gè)變量，這個(gè)變量的原因是空間矢量調(diào)制是疊加了連續(xù)分量，主要是三次諧波，主要是以三次諧波的形式出現(xiàn)的。

還有一個(gè)嚴(yán)酷的工況汽車在坡起的時(shí)候電機(jī)是不轉(zhuǎn)的，電機(jī)不轉(zhuǎn)就不是正弦波的輸出，大部分是發(fā)直流的形式，所以這種情況下?lián)p耗是怎么算的？這邊也有公式，這個(gè)都是比較常規(guī)的平均化模型計(jì)算損耗的公式。

我們把損耗算完了，施加到熱的模型里面態(tài)度得出結(jié)溫，簡單講一下整個(gè)熱的模型怎么來的？以及半導(dǎo)體廠商會給大家提供什么樣的東西？第一個(gè)是因?yàn)槲覀冇芯A有材料，會做有限元的仿真，大約知道熱的組織和模型是什么樣的。通過這種熱的模型我們有兩種，一種是Cauer模型，這個(gè)跟材料的屬性是有關(guān)的，這種模型是比較利于計(jì)算的，但是不能把這里的參數(shù)跟材料的屬性聯(lián)系起來，這個(gè)是曲線擬合出來的。我們計(jì)算的時(shí)候都是用的這種模型，這里給大家提一下可能不太一樣的地方，大部分我們都只是知道這個(gè)模型，IGBT發(fā)熱，自己的熱阻形成一個(gè)溫度，旁邊的二極管發(fā)熱，會被動(dòng)的讓IGBT也升溫，所以是有耦合效應(yīng)的，這個(gè)部分是耦合的，對于IGBT是二極管的耦合，對于二極管來說是IGBT的耦合，所以這部分也會有一些影響，大家在算用熱阻模型算結(jié)溫的時(shí)候也要考慮耦合的因素進(jìn)來。

這個(gè)是英飛凌在主驅(qū)里面用的比較多的一款模塊，熱阻模型參數(shù)，這個(gè)是跟你的流速也有相關(guān)，所以我們會給的這三個(gè)參數(shù)是不受影響的，跟IGBT本身有關(guān)。最后一個(gè)系數(shù)是跟流速有關(guān)。

熱阻稍微多說一句，熱阻對于很窄的脈沖是有一個(gè)時(shí)間的特性的，有點(diǎn)像ICE電路，所以脈沖的長短是有影響的。做一個(gè)比較，跟簡化的做了比較，但是這個(gè)上面有條件了，黑框是實(shí)測的溫度，藍(lán)色的是剛剛的情況，這里面有幾個(gè)原因，一個(gè)是你的Simulation不準(zhǔn)有誤差，還有實(shí)測的模塊性能有點(diǎn)關(guān)系的，因?yàn)镾imulation的值是典型的，所以這個(gè)模塊好一點(diǎn)壞一點(diǎn)跟典型值之間本身有差距。

英飛凌會做快速的選型，比如說這里有一個(gè)系列，多少個(gè)模塊，每個(gè)模塊跑多少電流，結(jié)溫是多少。我們會用更多的損耗，把損耗和結(jié)溫往上提的方式給大家選型，這個(gè)地方是想cover你的應(yīng)用，而不會反過來。

這個(gè)是講我計(jì)算出結(jié)溫，這個(gè)是連續(xù)變量，怎么把這個(gè)結(jié)溫簡化成可以計(jì)算、可以handle的查表，基本上我們定義一個(gè)溫度的循環(huán)實(shí)際上是一個(gè)等腰三角形，ABC，是一個(gè)三角形，然后我們要知道的是多少個(gè)？幅度有多高？最高的溫度多少？以及溫度停留的時(shí)間，從A到C的時(shí)間需要得出來作為最終計(jì)算的輸入。

大概有4種方法，但是前三種都是去看最高點(diǎn)在哪里，只不過是怎么用這最高點(diǎn)？看見一半就當(dāng)成一個(gè)，然后還有找最高的峰值，當(dāng)然還有看上升沿，不管下降沿，當(dāng)然后面會有一頁講怎么說明預(yù)留法是比較好的方法。

這個(gè)是英飛凌做的仿真，這個(gè)結(jié)果是完全來自于仿真，沒有一個(gè)是實(shí)測，全部仿真，因?yàn)槲覀冇杏芯€源模型，會疊加結(jié)溫，按照某一些特征的形狀去變化，然后去看累計(jì)的機(jī)械的電型量對比仿真，一種是把實(shí)際的放上去，還有一種是根據(jù)上面4種提取方法把這些做簡化，這些都是很簡單的最基本的形狀了，做簡化做比較，比較以后看它們相互之間跟標(biāo)準(zhǔn)實(shí)際的仿真的結(jié)果差是多少。

對于芯片的焊接以及綁定線的部分，預(yù)留法的差別都是最小的，英飛凌認(rèn)為主要的原因是預(yù)留法提取了長周期的變量在里面，剩下的其他的方法都是只看眼前，都是短期的變量，不是長期的變量，所以這個(gè)也是為什么所有壽命損耗的時(shí)候都借用了預(yù)留法提取特征的變化的Cycling。

最后一部分講一下英飛凌怎么去驗(yàn)證模塊的壽命是多少，一個(gè)是綁定線，一個(gè)是焊接層，基本上綁定線對它有影響的都是很短的脈沖，我們叫PC Cycle，這個(gè)是對綁定線的影響最大的，另外一個(gè)是分鐘級的power的cycle這個(gè)對焊接的影響比較大，試驗(yàn)都是這樣的，我們要想辦法讓它的結(jié)溫形成這樣的變化，大電流讓溫度形成這樣的變化，有意的向這部分施加電的壓力，會測幾個(gè)點(diǎn)，用這些點(diǎn)這個(gè)曲線是業(yè)界定義好的曲線，曲線的形式是定義好的，根據(jù)這些點(diǎn)的值求出這些點(diǎn)的系數(shù)然后延伸，延伸過去。

所以整個(gè)行業(yè)都是這樣做的，并不會每個(gè)點(diǎn)測，橫坐標(biāo)是ΔT，還有一點(diǎn)是高于它，一個(gè)是低于它，一般是測100K，60K，但是英飛凌在PC cycle的時(shí)候也會測120K的變化。

這個(gè)是長周期的60秒的沖擊，這個(gè)數(shù)素量是明顯小于這個(gè)素量，這個(gè)是根據(jù)這兩個(gè)得出來從很短時(shí)間到很長時(shí)間壽命的曲線，或者熱阻高于粗始值25%也結(jié)束了，比如說DC電容也不是完全沒有功能了才任命壽命終止。公式是和剛剛曲線擬合的公式了，這個(gè)是用來讓你軟件計(jì)算的時(shí)候?qū)懗龉讲槌鰜怼?br />
這種公式只是適合這些模塊，特點(diǎn)是什么呢？都有綁定線，都是有統(tǒng)計(jì)板。這個(gè)是講LV324，這個(gè)是德國的一個(gè)車企聯(lián)合供應(yīng)商的要求，現(xiàn)在變成了AQG324，是對車用的功率模塊（英文）的要求是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。而這里要解釋的是我要定義結(jié)溫的變化是多少，是以開始穩(wěn)定值定義的，這個(gè)過程當(dāng)中不調(diào)整，就是這樣一直進(jìn)行下去，然后結(jié)溫必然會升高，一方面可能是因?yàn)閂CE在增加，不停的老化，熱阻也會增加，所以一直到要么5%，要么是20%的點(diǎn)，我認(rèn)為壽命結(jié)束。

但是這里說的是所有的模塊廠家做這個(gè)壽命計(jì)算的時(shí)候，如果說宣稱模仿LV324的時(shí)候必須用這種做法做，中間不能做調(diào)整，否則的話這個(gè)結(jié)果就沒有可比性了，因?yàn)榇蠹覘l件不一樣。

所以這里有定義，用多大的電流做試驗(yàn)，可能對試驗(yàn)結(jié)果有影響，從LV324開始定義了必須要超過85%的ICN的值做試驗(yàn)，你用這個(gè)做試驗(yàn)和用其他的做試驗(yàn)，可能會對結(jié)果有很大的影響，我是60K的cycle，他是100k的Cycle，這個(gè)意義沒有多大不一樣，但是一定要實(shí)踐才能做比較。

英飛凌做試驗(yàn)是拿三個(gè)lots是能代表整個(gè)參數(shù)分布，因?yàn)椴煌膮?shù)分布對結(jié)果有影響，我用三個(gè)不同的lots做試驗(yàn)，得出大家都能夠滿足的結(jié)果現(xiàn)在是這樣的做法，這個(gè)是試驗(yàn)的什么樣的電流條件，參數(shù)是不能調(diào)整的。

這里是講的我們用這個(gè)韋伯分布，一個(gè)是在5%的可能性的情況下能做到多少，但是英飛凌考慮我這只是一次試驗(yàn)，因?yàn)檫@種試驗(yàn)要每年重復(fù)，所以我要保證所有經(jīng)年累月的樣本全部都能滿足這個(gè)要求，實(shí)際上是把這個(gè)壽命又放了更低的程度。比如說英飛凌是60k，其實(shí)5%的是在90%左右，但是真正樣本的在105K。

我就隨便挑三個(gè)來做，分布是有限的，還有別的方法是這張圖告訴大家，這個(gè)方法比較合適，但是如果用你就挑那些最差的，專門挑一些最差的模塊做試驗(yàn)，或者是你挑了一些很好的模塊做試驗(yàn)，其實(shí)最終對你的結(jié)果都是有影響，所以給出的值都會不一樣。

這個(gè)是跟剛剛有點(diǎn)類似，還是挑平均分布的樣本，你有weibull來做，如果你專門挑一些那之前的都不成立。

這個(gè)最后講一下，我們會給一條線，因?yàn)槲覙颖緮?shù)量的原因，我知道只有95%，這個(gè)是樣本數(shù)量決定的，這條線告訴你是不是100%保證，是不是95%的自信程度？當(dāng)然了這個(gè)點(diǎn)越往上置信度就會越低，所以說整個(gè)壽命的計(jì)算，包括英飛凌給出的壽命，實(shí)際上是一個(gè)具有統(tǒng)計(jì)意義的數(shù)值。

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