Wolfspeed在碳化硅功率模块中应对功率循环挑战的方法

碳化硅电源模块可靠性：Wolfspeed 的功率循环和寿命建模方法

Mauro Ceresa，Wolfspeed 现场应用工程高级总监

Robert Shaw，Wolfspeed 电源模块可靠性高级经理

简介

碳化硅(SiC) 功率器件在汽车、可再生能源、工业电动汽车和航空航天市场中的快速采用正在重新定义系统要求。传统的认证已经不够了。客户现在要求耐用性，确保系统能够在恶劣的环境中持续运行数十年，同时最大限度地减少停机时间。

交通电气化、可再生能源集成和工业自动化对功率半导体模块提出了前所未有的要求。可靠性、耐用性和寿命预测至关重要，尤其是在不允许出现故障的汽车和工业应用中。本文概述了Wolfspeed 应对碳化硅(SiC) 功率模块功率循环挑战的方法，探索故障模式、测试方法、寿命建模以及该公司专为在恶劣条件下延长使用寿命而设计的高性能模块产品组合。

填补可靠性和耐用性之间的差距

电力电子标准和认证涵盖了许多可能的现实案例，但并非全部。模块可以通过所有标准可靠性测试，但由于传统认证协议未捕获的特定应力而在现场过早失效。

例如，HTRB用于测试器件在高温条件下的性能，但随着时间的推移，监管机构增加了其他压力更大的测试：HV-H3TRB，用于同时测试器件在高温、高湿和高压条件下的性能。

实验室可靠性和现场耐用性之间的差距推动了对更复杂测试方法的需求，特别是功率循环分析，它已成为现实应用中系统寿命最相关的指标。

当我们以创建生命周期模型为最终目标讨论电源循环时，没有通过或失败循环计数要求。这意味着设备会在不同的条件下进行测试，直到它们失效为止，但在几个周期后失效的产品的测试与在大量周期后失效的产品的测试没有什么不同。

阅读本白皮书，了解Wolfspeed 的可靠性方法，以实现系统耐用性的新性能预期。

动力循环基础知识

温度变化会导致材料尺寸变化，通常在加热时膨胀，在冷却时收缩。这种尺寸变化的大小取决于材料，并通过热膨胀系数(CTE) 来表征。

对于电源模块来说，这一点尤其重要，因为基板组件由多种不同的材料组成，以分层结构粘合在一起，每种材料对热循环的响应不同（图1）。

图1：Wolfspeed XM3 碳化硅(SiC) 电源模块

剖面多层结构图

功率循环(PC) 测试是评估碳化硅(SiC) 模块在实际热应力条件下的耐用性的最合适方法。基本原理是向电源模块施加重复的电流脉冲（图2），在器件结构内产生受控的温度波动，模拟实际操作过程中经历的加热和冷却循环。

测试过程围绕三个关键应力参数进行，这些参数共同决定了设备的使用寿命。温度摆幅(Tj) 表示芯片结的峰值工作温度与其冷却基线之间的温差。

最大结温(Tj,max) 定义了每个循环期间达到的绝对峰值温度，它影响热膨胀的幅度和老化机制的激活能。脉冲持续时间（吨）决定了器件在高温下保持的时间，影响热量穿透基板层的深度以及封装结构内实现的热平衡程度。

功率循环需要在各种操作条件下（特别是不同的Tj、max、Tj 和ton）将样品运行到寿命结束。通过在每种条件下测试多个单元，我们可以提取这些参数与循环寿命之间的关系，这是构建预测寿命模型的基础。

Wolfspeed 使用符合AQG 324 车辆规范标准的动力循环(PC) 测试通过/失败标准。监测的主要故障模式有两种：

第一个标准是检测VDS 上升+5%，它表示在整个功率脉冲期间维持负载电流(IL) 所需的电压。该指标专门识别可归因于芯片顶部连接、芯片分离或任何其他类型的电接触故障（通常表现为VDS 突然尖峰）的电源周期故障。

第二个标准是热阻(RTH) 增加20%。该系统通过测量关断期间体二极管的正向电压来测量芯片的热响应，从而计算每个周期的RTH。当RTH增加时，意味着功率模块多层结构的散热性能下降，从而损害从芯片到散热器的导热性。

图2：电源周期波形及相关参数

两种不同的测试配置已成为行业标准。 PCsec 测试使用几秒的脉冲持续时间来集中芯片附近的热应力，主要针对芯片顶部连接和芯片底部安装接口。 PCmin 测试使用大于15 秒到几分钟的吨脉冲，使热量更深入地渗透到基板层并对焊点和基板或封装的部分施加压力。这种区别至关重要，因为在不同的时间应力配置下，不同的失效机制占主导地位，并且需要对两种状态进行全面测试才能充分表征模块的耐用性。

典型的测试配置使用以下值：

Tj=75 - 125 C，Tj,max=125 - 175 C，

PCsec 吨5 秒，PCmin 吨15 秒。

图3 说明了不同吨持续时间对功率循环(PC) 测试结果的影响。

相比之下，延长的脉冲持续时间(PCmin) 允许热量扩散到整个基板组件，从而将应力分散到芯片顶部和基板连接界面上。因此，较长的脉冲周期对模块施加更大的整体应力，导致逐周期显着加速退化。

图3：PCsec 和PCmin 可以研究不同类型的故障

硅(Si) 和碳化硅(SiC) 的失效机理

从硅(Si) 到碳化硅(SiC) 功率器件的过渡改变了功率模块内的机械应力分布，需要对故障机制和封装方法进行彻底的重新评估。

传统的硅(Si) 模块通常会表现出不同的故障模式，包括由于热机械疲劳导致的键合线脱粘、由于热膨胀差异导致的焊点开裂以及持续热循环下的铝金属化重塑（见图4 和图5）。

碳化硅(SiC) 器件因其卓越的材料特性而面临着独特的挑战。碳化硅(SiC) 具有较高的杨氏弹性模量和导热率，在实现卓越电气性能的同时，还显着放大了传统封装结构内的机械应力。导热率的增加会产生更陡的温度梯度，而更高的模量会将热膨胀失配转化为材料界面处更大的机械力。因此，使用传统封装架构的碳化硅(SiC) 器件通常表现出比同等硅(Si) 器件更短的功率循环寿命。

专为碳化硅(SiC) 应用开发的先进封装技术旨在通过材料和结构创新来缓解这些挑战。铜键合线取代了传统键合线，提供了更低的电阻路径和更好的热机械稳定性。银烧结取代了传统焊接，提供卓越的导热性和导电性，同时在热循环下表现出更高的可靠性。活性金属钎焊(AMB) 基材取代了直接键合铜(DBC)，并改善了热膨胀匹配。

然而，这些先进的封装方法引入了它们自己的潜在故障模式。烧结界面虽然比焊点更坚固，但可能会因空隙形成和银迁移而逐渐退化。铜键合线可能会因键合界面处的疲劳或几何过渡处的应力集中而失效。这些先进封装的复杂性产生了多个潜在的故障路径，需要通过功率循环分析进行全面表征。

图4：键合线退化故障示例

图5：芯片连接退化的证据

Wolfspeed 的YM4 电源模块系列采用铜连接技术、烧结芯片连接和环氧树脂封装，与相同尺寸的同类最佳竞争对手设备相比，功率周期多出3 倍（图6）。

了解有关WolfspeedYM4 电源模块系列https://的更多信息www.wolfspeed.com/products/power/sic-power-modules/ym-power-module-family/? Generation=Gen%204

图6：YM4 功率循环能力与相同尺寸的其他解决方案相比

测试方法和测量

Wolfspeed 的功率循环方法遵循标准化测试协议，同时结合独特的改进，提高测试准确性和与实际应用的相关性。测试基础设施使用能够同时测试多个模块的商用电源循环设备（图7），通过在相同压力条件下同时测量多个设备，实现高效的数据收集，同时保持统计的严谨性。

图7：最多可同时测试12 个半桥电源模块

芯片结温测量是该方法的一个关键方面，需要高精度和快速响应时间。根据图8 所示的原理图，这通常是使用体二极管正向电压(VF) 来完成的。

该过程首先执行温度校准以确定VF 和Tj 之间的关系。该过程使用冷却剂在不同温度下操作器件，同时测量每个温度点的体二极管正向电压。

图8：体二极管正向电压测量以确定芯片结温

这会生成一系列表征电压-温度关系的校准曲线。然后使用多项式函数对这些曲线进行数学拟合（图9）。

图9：有了校准曲线，我们可以使用测得的VF 来确定Tj（来源：Wolfspeed）

一旦确定了校准曲线，测试循环将按如下方式进行：

该器件开启并在ton 期间通过通道施加恒定电流。选择通道电流是因为它可以更好地控制并且更准确地代表实际应用条件。在开启状态期间，VDS 用作故障准则模式确定。

在toff 期间，器件关闭，并通过体二极管施加恒定的测试电流。此阶段使用体二极管，因为其正向电压表现出高温度敏感性，并且可以在低电流水平下测量，从而避免不必要的功率损耗。在关断状态期间，如果使用体二极管测试，则测量Vf 作为结温的指示，并进行分析以计算RTH，在相同标准下将其用作附加寿命参数。

重复之前的开关周期并继续测试直至失败。

图10显示了使用PCsec测试获得的VDS和RTH随循环数的变化曲线。请注意如何应用两个失败准则。第一失效判据为失效时的漏源电压值VDS相对于初始值增加5。而热故障标准对应于RTH 增加20%（在建议的用例中尚未达到）。图中VDS 的垂直增加是由于键合线故障造成的。

图10：VDS 和RTH 随周期数变化的趋势（来源：Wolfspeed）

建立寿命模型

将功率循环测试数据转换为预测寿命模型可以从加速测试条件推断到实际应用配置文件。 Wolfspeed 的方法涉及对三个主要应力变量进行系统参数扫描，以建立应力条件（T、Tjmax 和ton）与循环失效之间的经验关系。

寿命模型构建从测试矩阵的设计开始，这需要仔细选择应力条件（T、Tjmax 和ton），以平衡测试持续时间约束与模型精度要求。较高的应力水平将加速失效，从而允许合理的测试完成时间，但过度的加速可能会激活非代表性失效模式。

将模型应用于应用配置文件需要对实际操作条件进行复杂的分析。通过电热仿真将客户资料分解为热循环，以生成时间序列结温数据。雨流循环计数算法从这些复杂的波形中提取等效的热循环，从而能够通过累积损伤计算应用寿命模型。分析结果（图11）提供了特定操作场景的定量寿命预测。

图11：功率模块寿命建模流程

Wolfspeed 的产品组合展示了封装技术如何直接影响功率循环性能，并针对不同的细分市场和应用需求优化了不同的方法。

Wolfspeed WolfPACK 模块系列采用压接技术，最适合需要中等功率循环能力的成本敏感型应用。这些模块消除了传统的底板，利用压接端子进行电气连接并简化了热管理。这种创新方法消除了对传统焊点的需求，并降低了焊接疲劳的风险。其专有的芯片键合技术和键合线设计使其具有领先于其他选项的行业领先性能。

有关Wolfspeed WolfPACK 模块的更多详细信息，请访问https://www.wolfspeed.com/products/power/sic-power-modules/wolfspeed-wolfpack-sic-power-modules-family/。

YM 产品组合代表了Wolfspeed 的汽车级六管集成解决方案，融合了专为极高可靠性应用而设计的先进封装技术。这些模块使用铜互连代替传统的键合线，提供卓越的载流能力和增强的热机械可靠性。芯片连接采用银烧结技术，与传统焊接相比，该技术提供了改进的热性能和电气性能，同时表现出出色的抗热循环退化能力。活性金属钎焊(AMB) 基板提供优化的热膨胀匹配，进一步提高可靠性。

有关YM 产品组合的更多详细信息，请访问https://www.wolfspeed.com/products/power/sic-power-modules/ym-power-module-family/? Generation=Gen%204。

单开关塑料模块（TM 系列）提供紧凑的封装解决方案，将高可靠性与降低的外形尺寸要求结合在一起。 These modules contain many of the same advanced technologies as YM modules, including copper interconnects and sintered die attach, but use plastic encapsulation for environmental protection rather than traditional case methods.这种封装策略可以集成到空间受限的应用中，同时保持汽车级的可靠性能。该封装方法还促进了表面安装组装过程，从而在行业标准尺寸内实现了设计灵活性。

关于单开关塑封模块(TM 系列)更多详细信息https://www.wolfspeed.com/products/power/sic-power-modules/tm_single_switch_power_module_family/。

功率循环结果说明了封装技术对应用寿命的巨大影响。在相同应力条件下的测试表明，环氧树脂封装的WolfPACK 模块比硅凝胶封装的同类产品实现了显著改进，而YM 和塑封产品中的先进封装方法将寿命比传统封装技术延长了数量级。这些改进直接转化为最终用户维护需求的减少、系统寿命的延长以及总拥有成本的降低。

了解更多关于Wolfspeed如何推进碳化硅封装技术提升。

预测性耐久性

功率循环分析的实际应用远远扩展了实验验证，为系统设计人员提供了量化工具，用于优化应用寿命、预测维护需求并最小化总拥有成本。Wolfspeed 的综合方法包括标准化分析和应用配置文件模拟。

可靠性分析始于详细的应用配置文件，包括运行条件数据，如负载循环、环境温度变化和占空比模式。通过执行电热仿真，可以将这些运行条件转换为结温曲线，同时考虑功率模块内部和整个系统热管理架构的热动力学。先进的雨流计数算法将复杂的热波形分解为等效的功率循环条件，从而能够直接应用实验室导出的寿命模型。

由此产生的耐久性预测支持预测性维护策略，从而优化系统可用性，同时最大限度地降低维护成本。客户可以实施基于状态的维护计划，该计划考虑了实际运行历史和预测的剩余使用寿命，而不是依赖于保守的基于时间的更换计划。这种方法在停机成本远远超过模块更换成本的应用中（例如可再生能源装置或工业自动化系统）尤其有价值。

设计优化代表了另一个重要的价值主张，即功率循环分析指导系统架构决策以最大化耐久性。策略包括增强热管理以降低Tj、并联模块以分布热应力，以及优化运行参数以最小化累积损伤。这些设计修改通常以最小的成本影响实现显著的寿命改进，从根本上改进了系统的经济性。

将功率循环分析集成到客户设计流程中，最终实现了从被动到主动的寿命管理的转变，将功率模块可靠性从一个不确定的变量转变为可量化的设计参数，可以与其他系统特性一起进行优化。

结论

功率循环分析解决了在苛刻环境下应用下寿命评估的基本挑战。从传统可靠性测试到复杂耐久性建模的演变，反映了对电力电子产品的期望寿命不断提高，因为它们已成为汽车、可再生能源和工业领域关键基础设施不可或缺的一部分。

Wolfspeed 的综合方法结合了先进的封装技术、严格的测试方法和预测建模能力，在系统耐久性和可靠性方面提供了可量化的改进。公司的产品组合展示了有针对性的封装创新如何实现功率循环寿命的数量级改进，同时为不同的细分市场提供具有成本优势的解决方案。

关于Wolfspeed, Inc.

Wolfspeed（美国纽约证券交易所上市代码：WOLF）在全球范围内推动碳化硅技术采用方面处于市场领先地位，这些碳化硅技术为全球最具颠覆性的创新成果提供了动力支持。作为碳化硅领域的引领者和全球最先进半导体技术的创新者，我们致力于为人人享有的美好世界赋能。Wolfspeed 通过面向各种应用的碳化硅材料、功率模块、分立功率器件和功率裸芯片产品，助您实现梦想，成就非凡(The Power to Make It Real)。