Силовая электроника №5'2012

Еще раз про надежность. Часть 2

Винтрич Арендт (Arendt Wintrich)

Николаи Ульрих (Ulrich Nicolai)

Райманн Тобиас (Tobias Reimann)

Турски Вернер (Werner Tursky)


Продолжение. Начало в №4’2012
Во второй части статьи рассмотрены механизмы отказа при активном термоциклировании, усталостные эффекты в паяном слое, повреждения выводов кристаллов.

Механизмы отказа при активном термоциклировании

Воздействие перепадов температуры на материалы с различным коэффициентом теплового расширения (КТР) создает термомеханический стресс, который приводит к постепенному старению соединительного слоя. Существует несколько возможных механизмов отказа, и любой из них может стать доминирующим, что зависит от характера нагрузки, параметров цикла и условий охлаждения.

На рис. 9 показаны основные конструктивные элементы модуля IGBT, часть из которых непосредственно определяет его надежность. Чем дальше соединение находится от чипов, являющихся основным источником потерь, тем больше времени требуется на его нагрев. Чем хуже охлаждается полупроводниковый кристалл, тем выше перегрев всех слоев электронного компонента. Следовательно, для увеличения стойкости к термоциклированию целесообразно в первую очередь улучшать свойства «внешних» (т. е. ближайших к радиатору) проблемных элементов конструкции. При их повреждении увеличивается градиент температуры ΔТ у всех расположенных выше соединений, что приводит в конечном итоге к их разрушению.

В разработанных компанией SEMIKRON в 90-х годах прижимных модулях SKiiP отсутствует базовая плата, а соответственно и ее паяный слой, являющийся основным источником отказов силовых ключей. Внедрение технологии низкотемпературного спекания для установки кристаллов на DBC-подложку позволило устранить еще один паяный слой и кардинально повысить стойкость полупроводниковых модулей к термоциклированию. Самым слабым местом на сегодня является сварное соединение алюминиевых выводов чипов, несмотря на то, что совершенствование технологий ультразвуковой сварки позволило в последние годы существенно повысить его надежность.

Как показано на рис. 9 и в таблице 1, самым критическим является паяный слой наибольшей площади между изолирующей подложкой и базовой платой. Для исключения деформации или повреждения этих элементов конструкции при воздействии больших перепадов температуры при сборке модулей следует использовать только высококачественные припои и отработанные технологии пайки. Кроме того, для повышения стойкости к термоциклированию рекомендуется по возможности разбивать DBC-подложку на несколько элементов, т. е. снижать площадь паяного соединения. Некоторые фирмы предлагают модули в транспортном исполнении с базовой платой, изготовленной из композитных материалов (например, AlSiC), которые лучше согласованы с керамикой по КТР. Однако композиты отличаются от меди плохой теплопроводностью и более высокой стоимостью.

Таблица 1. Линейное расширение различных материалов силового модуля (относительно базовой длины 1 см)

Материал КТР, 10–6 Для типового градиента термоцикла При нагреве всего модуля при термоциклировании с идентичным значением ΔТ
Т, °С ΔТ, К Δl термоцикл, мкм Т, °С ΔТ, К Δl термоцикл, мкм
Чип (IGBT), Si 3,5 125 100 3,5 125 100 3,5
DCB AlN 8,2 105 80 6,6 125 100 8,2
DCB Al2O3 10,7 105 80 8,6 125 100 10,7
База AlSiC 7 80 55 3,8 125 100 7
База Cu 17 80 55 9,4 125 100 17
Вывод чипа, Al 23 100 75 17,2 125 100 23


Структура IGBT-модуля

Рис. 9. Структура IGBT-модуля (красным отмечены соединения, влияющие на срок службы)

В таблице 1 показано теоретическое значение линейного расширения различных слоев силового модуля на площади 1 см2, разница приведенных величин определяет потенциальный уровень термомеханического стресса. В левой части таблицы даны номинальные для реальных применений тепловые режимы: нагрев корпуса Tc = +80 °C и кристалла Tj = +125 °C. Линейное тепловое расширение базовой платы может вдвое превысить изменение длины кристалла, несмотря на четырехкратную разницу КТР. Пассивный нагрев, вызванный, например, повышением температуры тосола в автомобиле, приведет к линейному расширению, соответствующему величине КТР, как показано в правой части таблицы. Из приведенных в ней данных видно также, что DBC-подложка из нитрида алюминия (AlN) лучше согласована с кремнием по тепловым характеристикам.

Термомеханическое напряжение между AlN, керамикой и медной базовой платой является максимальным, поэтому данная комбинация может быть использована только с определенными ограничениями. Нитрид алюминия гораздо лучше сочетается с композитной базой из AlSiC, такой вариант обеспечивает более высокую стойкость к термоциклированию. Коэффициент теплового расширения оксида алюминия находится между показателями КТР кремния (Si) и меди (Cu), следовательно, керамическая подложка Al2O3 является оптимальной для стандартных модулей с медной базой.

Контактные зоны сварки алюминиевых выводов чипов имеют сравнительно небольшую площадь, однако разница КТР контактирующих слоев кремния и алюминия очень велика. Воздействие термоциклов, особенно коротких (что характерно, например, для инверторов индукционных нагревателей), приводит к изгибу и отрыву проводников.

Усталостный эффект в паяном слое базовой платы

Максимальному термомеханическому стрессу подвержен паяный слой, соединяющий керамическую DBC-подложку и базовую плату. Особенно сильное воздействие на него оказывают медленные термоциклы с высокими перепадами температуры. Разрушение слоя начинается с появления трещин и отслоения на краях подложки. В результате этого возрастает тепловое сопротивление, что приводит к перегреву кристаллов и еще более ускоряет процесс выхода модуля из строя. Качество и надежность паяного слоя базовой платы оценивается в ходе ускоренных испытаний на термоциклирование.

Многочисленные исследования и опыт эксплуатации показали, что очевидным путем повышения стойкости к термоциклированию является устранение базовой платы и ее соединительного слоя. Вызванное этим ухудшение качества распределения тепла в основании модуля компенсируется за счет применения более тонкого слоя термопасты (20 мкм вместо 100 мкм в стандартных компонентах). Концепция «безбазового» прижимного соединения реализована в модулях SEMIKRON серий SKiiP, MiniSKiiP, SEMITOP, SKiM.

34-мм модуль IGBT с отслоившейся DBC-подложкой

Рис. 10. 34-мм модуль IGBT с отслоившейся DBC-подложкой (зоны накопления усталости имеют светлый оттенок)

Усталостный эффект в паяном слое кристаллов

Как правило, накопление усталости в паяном соединении чипов сопровождается повреждением сварных соединений их выводов. Чем больше нагрев модуля, тем сильнее термомеханическое напряжение в его паяных слоях. Усталостные процессы вызывают увеличение теплового сопротивления, повышение температуры кристаллов, дальнейший рост уровня потерь и градиента температуры ΔТ. Этот процесс развивается лавинообразно, его результатом является отказ модуля.

Четыре кристалла IGBT в правой части DBC-подложки (рис. 11) подвергались активному термоциклированию, остальные чипы транзисторов и диодов (в левой части) работали в стационарных условиях. На изображении, полученном с помощью сканирующего акустического микроскопа (SAM), различимы следы разрушения паяного слоя. У четырех, работающих в параллель IGBT и проводящих примерно одинаковый ток, самая нагретая зона расположена в центре. Как показывает рисунок, отслоение начинается именно в этой области на внутренних углах.

Усталость паяного соединения кристалла в ходе испытаний на термоциклирование

Рис. 11. Усталость паяного соединения кристалла в ходе испытаний на термоциклирование: а) DBC-подложка; б) изображение, полученное с помощью сканирующего акустического микроскопа

У кристаллов большой площади из-за неравномерного распределения температуры по поверхности наибольший перегрев наблюдается в центре, где градиент ΔТ максимален. Появление новых поколений IGBT с расширенным диапазоном рабочих температур делает этот эффект все более ярко выраженным. Повышение стойкости к термоциклированию для соединительного слоя «кристалл–DBC-подложка» может достигаться с помощью:

  • применения подложек из AlN, имеющих лучшее согласование с кремнием по КТР, чем у Al2O3;
  • замены пайки на низкотемпературное спекание серебряного нано-порошка, позволяющее минимизировать термомеханическое воздействие в процессе производства.

Отрыв и повреждение алюминиевых выводов кристаллов

В отличие от меди и кремния, алюминий имеет относительно высокий коэффициент теплового расширения, что является причиной отрыва проводников или разрушения сварных соединений выводов чипов вследствие изменения их длины. Дальнейшие повреждения модуля происходят из-за теплового изгиба базовой платы (так называемый «биметаллический эффект») и дополнительных механических стрессов, причиной которых может быть, к примеру, ток перегрузки. Подобные термомеханические напряжения в некоторой степени демпфируются за счет заливки внутреннего объема модуля силиконовым гелем.

Поскольку при токовой нагрузке на кристалл, превышающей 10 А, подключение производится при помощи нескольких параллельных проводников, отрыв одного из них не вызывает мгновенного отказа модуля. Однако потеря вывода влечет за собой рост прямого напряжения и ускорение процесса деградации при термоциклировании.

Увеличение токовой нагрузки на оставшиеся проводники неизбежно приводит к дополнительному нагреву контактных областей и ускорению процесса старения. Плотность тока в последнем проводящем выводе оказывается столь высокой, что металлизация начинает плавиться, а сопутствующее внутреннее дугообразование выводит кристалл из строя. Следует отметить, что на практике полный разрыв связей наблюдается довольно редко.

Самым слабым звеном в цепи подключения кристалла к токонесущим шинам DBC-подложки является зона алюминиевого проводника, находящаяся непосредственно над его сварным соединением (рис. 12). В процессе сварки свойства кристаллической структуры этой области заметно ухудшаются. Однако благодаря разработке новых сплавов, совершенствованию технологии и непрерывному контролю производственного процесса срок службы соединения вырос за последние годы более чем в два раза.

Повреждение выводов кристаллов

Рис. 12. Повреждение выводов кристаллов: а) разрушение контактного слоя и отрыв проводника (область помечена эллипсом); б) разрыв электрической цепи вследствие отслоения всех проводников

Проведенные исследования выявили связь между углом наклона проводника в зоне соединения и максимально допустимым количеством термоциклов (рис. 13). Одним из возможных вариантов предотвращения отказа модуля вследствие отрыва проводников является, например, применение кристаллов с двусторонним прижимным подключением выводов.

Зависимость количества циклов до отказа от угла наклона

Рис. 13. Зависимость количества циклов до отказа от угла наклона (соотношения между высотой и шириной петли между точками сварки)

Восстановление металлизации чипов

Реметаллизация является еще одним проявлением эффекта старения, она возникает при больших токовых нагрузках (рис. 14). Изменения структуры металла приводят к постепенному увеличению сопротивления кристалла, появлению дополнительных потерь, повышению градиента температуры, ухудшению адгезии сварного соединения проводников. Для предотвращения этого процесса необходимо ограничивать амплитуду повторяющегося тока перегрузки (ICRM).

Реметаллизация чипа

Рис. 14. Реметаллизация чипа: а) до термоциклирования; б) после термоциклирования

Зависимость срока службы от параметров термоцикла

Как было отмечено выше, изменения температуры приводят к старению промежуточных связей электронных компонентов. Накопление усталости, износ и сокращение срока службы вызываются термомеханическими стрессами, причиной которых служит разница КТР сопрягаемых материалов. Таким образом, срок службы силового модуля (или количество термоциклов до отказа) является функцией градиента цикла ΔTj.

Изменения мощности потерь на частотах ниже 100 Гц не сглаживаются тепловой постоянной времени чипа, но они создают минимальные флуктуации температуры модуля. Значение ΔT при этом оказывается настолько мало, что оно уравновешивается упругой деформацией, и его влиянием на процессы старения можно пренебречь. При нормальной работе конвертера на частоте в несколько герц, особенно в режиме циклической нагрузки, свойственном транспортным применениям, основному стрессу подвергаются следующие связи силовых ключей:

  • сварные выводы чипов и их паяные соединения;
  • паяный слой «DBC-подложка–базовая плата»;
  • медная металлизация DBC-подложки.

Для оценки ресурса модуля необходимо определить максимально возможное количество термоциклов с учетом его характеристик, основной из которых является градиент ΔT = TjmaxTjmin. Многочисленные исследования, большая часть которых была проведена в 90-х годах по программе LESIT Study (Leistungselektronik, Systemtechnik und Informationstechnologie), показали, что средняя температура Tm является для определения надежности не менее важным параметром, чем ее перепад. Количество циклов до отказа Nсf связано со средней температурой кристалла Tm = TjminTj/2 в соответствии с выражением:

где kb — постоянная Больцмана. Выражение позволяет получить хорошую аппроксимацию результатов тестов с помощью метода наименьших квадратов по трем параметрам: константа А, показатель степени γ и энергия активации Ea. Для расчета координат точек на графиках рис. 15 использованы следующие значения переменных: А = 3,025 × 106; α = –5,038; Ea = 9,891 × 10–20 Дж.

Зависимость количества циклов до отказа от градиента

Рис. 15. Зависимость количества циклов до отказа от градиента ΔTj при различных значениях средней температуры Tjm (по данным LESIT)

Как показано на рис. 15, максимальное значение Nf при ΔTj>30 K снижается примерно в 10 раз при изменении амплитуды термоцикла на 20–30 К. То есть для обеспечения высокой стойкости к воздействию перепадов температуры с периодом от нескольких секунд до нескольких минут желательно, чтобы величина ΔT не превышала 30 К. Приведенные кривые получены по программе LESIT при исследовании стандартных модулей, выпущенных различными производителями до 1990 г. Совершенствование технологий корпусирования позволило существенно улучшить этот показатель, что отражено на рис. 16–17.

Зависимость количества циклов до отказа от градиента и средней температуры

Рис. 16. Зависимость количества циклов до отказа от градиента ΔTj и средней температуры Tjm для стандартных модулей IGBT 2–3 поколения


Зависимость количества циклов до отказа от градиента и средней температуры для IGBT 4

Рис. 17. Зависимость количества циклов до отказа от градиента ΔTj и средней температуры Tjm для IGBT 4 (выпуск с 2009 г.)

Семейство кривых LESIT построено с учетом зависимости Nf от средней температуры Tjm. Тесты показали, что на стойкость к термоциклированию влияют и другие параметры, такие как время нагрева ton и амплитуда тока IB, а также конструктивные характеристики: сечение проводников и угол их наклона в зоне сварки, толщина паяного слоя.

На основании полученных результатов была создана более точная модель для определения показателя Nf (таблица 2):



Таблица 2. Параметры и коэффициенты для расчета Nf

Параметр Символ Пределы Коэффициент Значение
Технологический коэффициент (IGBT-стандарт) А     2,03е+14
Технологический коэффициент (IGBT 4) А     9,34е+14
Градиент, К ΔT 45–150 β1 –4,416
Min температура чипа, °C Tj(min) 20–120 β2 1285
Длительность импульса, c ton 1–15 β3 –0,463
Ток одного проводника, A IB 3–23 β4 –0,716
Класс напряжения/100, B VC 6–33 β5 –0,761
Диаметр проводника, мкм D 75–500 β6 –0,5

Связь реального количества циклов до отказа Nappl при известном времени цикла ton(appl) со значениями, полученными в ходе тестов, описывается следующим выражением:

Если, например, продолжительность цикла работы в конкретном применении составляет 10% от тестового времени, то срок службы увеличивается примерно в три раза. Приведенная модель позволяет довольно точно определить влияние различных параметров на график термоциклирования, однако при расчете ресурса модуля без учета других характеристик она справедлива только в определенных рамках. Это связано как с определенными физическими ограничениями, так и с тем, что далеко не все параметры являются независимыми. Например, невозможно получить маленький градиент ΔTj при больших токах перегрузки или длительном времени работы ключа. Соответственно, чтобы обеспечить некоторое фиксированное значение перепада температуры, определенный ток должен протекать в течение конкретного времени ton.

Заключение

В 1991 г. была принята европейская программа оценки технических решений Technology Assessment. В ее рамках швейцарским советом по науке были сформулированы требования по энергосбережению и надежности изделий силовой электроники, а также требования к системным и информационным технологиям (LESIT). В процессе осуществления этой программы проводились многочисленные испытания надежности силовых модулей различных производителей.

Сравнение отчетов по LESIT с результатами статистического анализа испытаний модулей прижимного типа SKiM от SEMIKRON показало, что вероятность отказа в 1% модулей SKiM ниже вероятности полного отказа выборки модулей стандартной конструкции при одинаковых условиях термоциклирования. Эти выводы иллюстрируют графики, приведенные на рис. 18. Эпюры показывают зависимость от перепада температуры количества циклов до полного отказа модулей с медной базовой платой (по данным испытаний в рамках программы LESIT) и до отказа 1% и 50% модулей SKiM3 и SKiM5 (по результатам испытаний SEMIKRON). Видно, что чем больше перепад температуры, тем нагляднее проявляется преимущество «безбазовых» модулей.

Сравнение результатов испытаний

Рис. 18. Сравнение результатов испытаний: SKiM5 с кристаллами Trench IGBT и DBC-AlN, SKiM3 с DBC-Al2O3 и стандартных модулей с медным основанием (по программе LESIT)

Ускоренные испытания силовых модулей позволяют получить данные, с помощью которых можно достаточно точно рассчитать показатели надежности изделия; определить механизмы отказа; предсказать, как будет вести себя изделие при различных условиях эксплуатации. Анализ отказов, а также изучение механизмов их возникновения позволяют вносить соответствующие изменения в конструкцию модуля, а также прогнозировать его поведение при различных условиях эксплуатации.

Литература

  1. Wintrich A., Nicolai U., Tursky W., Reimann T. Application Notes for IGBT and MOSFET modules. SEMIKRON International. 2010.
  2. Lehmann J., Netzel M., Pawel S., Doll Th. Method for Electrical Detection of End-of-Life Failures in Power Semiconductors. Semikron Elektronik GmbH.
  3. Scheuermann U. Reliability of Pressure Contacted Intelligent Power Modules. Semikron Elektronik GmbH.
  4. Scheuermann U., Hecht U. Power Cycling Lifetime of Advanced Power Modules for Different Temperature Swing. Semikron Elektronik GmbH.
  5. Колпаков А. И. Методы оценки надежности силовых модулей в предельных режимах // Силовая электроника. 2004. № 1.

Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2012_05_82.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо