Насколько надежен «интеллект»?

Интенсивность отказов

Одним из основных параметров, характеризующих надежность работы любого изделия, является интенсивность (или частота) отказов — λ, определяющая вероятность выхода из строя в течение определенного промежутка времени. Изменение интенсивности отказов в процессе эксплуатации описывается кривой (рис. 1), которая в англо­язычной литературе называется «ванной» (bathtub curve).

Рис. 1. Зависимость частоты отказов (FIT) от времени эксплуатации

Суммарный график, выделенный на рис. 1 сиреневым цветом, имеет три ярко выраженных участка. Первый, определяющий область ранних отказов, характеризуется спадом их частоты до более-менее установившегося состояния. Скорость спада зависит в основном от конструкции изделия, свойств материалов и технологии изготовления. На форму кривой в данной части заметное влияние оказывают методы испытаний и контроля качества, используемые в процессе производства.

Неисправности на начальном этапе возникают по различным причинам. Например, отдельные компоненты могут иметь слабые места, проявляющиеся при определенных условиях работы, а также не исключено их частичное повреждение во время транспортирования, хранения и сборки. Кроме того, выход компонентов из строя зачастую провоцируется образованием конденсата. Повышение надежности силовых модулей в начале эксплуатации достигается проведением жесткого технологического контроля. Одним из эффективных способов снижения количества отказов на ранней стадии является электротермотренировка (тест burn-in), помогающая отфильтровать потенциально «слабые» приборы.

В средней части графика приведены статистические отказы, характеризующиеся практически неизменной интенсивностью. Данный участок, имеющий максимальную длительность, соответствует основному времени эксплуатации изделия. Причины случайных выходов из строя в этот период разнообразны и, как правило, неконтролируемы, например воздействие солнечной радиации, попадание грязи, проникновение насекомых и т. д. Надежность полупроводниковых компонентов здесь, в первую очередь, зависит от условий эксплуатации и от рабочей температуры T_a.

Надежность изделий описывают такие основные параметры, как частота отказов FIT (Failure In Time) и наработка на отказ MTBF (Mean Time Between Failure). Параметр FIT характеризует количество выходов из строя в час, наблюдаемых при эксплуатации некоторого числа компонентов в течение определенного времени:

FIT = λ = n_f/(N × t),

где n_f — число обнаруженных отказов; N — количество испытываемых компонентов; t – время наблюдений.

MTBF — величина, обратная значению интенсивности отказов, для плоского участка кривой надежности; она характеризует среднее время между двумя отказами аналогичных компонентов: MTBF = 1/λ. В отношении силовых модулей, как правило, употребляется термин MTTF (среднее время наработки на отказ), поскольку MTBF определяет интервал времени между двумя ремонтами. Однако после окончания ремонта эти показатели становятся идентичными.

Следует подчеркнуть, что MTTF — это статистический параметр, который описывает характеристики совокупности элементов. Его не следует путать со сроком службы отдельного элемента группы. В отличие от, например, сигнальных процессоров, выпускаемых миллионами, база статистических данных для силовых модулей гораздо беднее. Кроме меньшего объема выпуска, проблемой также является отсутствие достоверной информации о режимах работы в момент отказа.

Значение FIT соответствует числу отказов в течение фиксированного промежутка времени, который обычно определяется в 10⁹ ч. Предположим, например, что частота отказов группы компонентов равна 100 FIT. Это соответствует величине MTTF, составляющей около 1140 лет. Далее предположим, что в работе находятся 10 000 компонентов, причем можно ожидать в среднем один выход из строя каждые 1000 ч эксплуатации с момента ее начала.

Пример расчета вероятности отказа на основе значения FIT

Для изделия задана интенсивность отказов 500 FIT, оно работает в одну смену (8 ч) 220 дней в году. При этом вероятность выхода из строя n_f/N определяется следующим образом:

n_f/N = λ × t = 500×10^–9 × 220 × 8 = 880×10^–6 (880 ppm).

Таким образом, примерно один из 1136 модулей может выйти из строя за указанное время. Однако это не значит, что соотношение будет точно таким, поскольку отказ — это стохастический процесс, вероятность возникновения которого очень зависит от размера выборки (т. е. от количества приборов, по которому ведется анализ).

Последняя область графика, приведенного на рис. 1, с возрастающей частотой отказов, соответствует окончанию срока службы изделия. Для силовых модулей IGBT этот участок отмечается лавинообразным ростом теплового сопротивления кристаллов, разрывом электрических связей и потерей управляемости. Выходы из строя в этот период вызваны старением компонентов, которое зачастую провоцируется воздействием термомеханических стрессов, возникающих вследствие периодических изменений нагрузки и колебаний рабочей температуры.

Отказы в конце срока службы неизбежны, это естественная составляющая ресурса компонента. Срок наступления состояния полной «изношенности» компонента в первую очередь зависит от условий работы. Специалисты компании SEMIKRON разработали надежностные модели, позволяющие получить достаточно точную оценку ресурса силовых модулей для конкретных условий эксплуатации.

Методы повышения надежности силовых модулей

Как было отмечено выше, основным методом борьбы с ранними отказами является термотренировка, или так называемый тест «burn-in», проводимый при номинальной нагрузке, максимальном напряжении питания и температуре. Процедура «burn-in» является неотъемлемой частью процесса производства 100% IPM SKiiP 4 и большинства SKiiP 3. В ходе испытаний каждый модуль подвергается прогону в условиях, имитирующих предельные режимы эксплуатации, тест проходят в составе реального четырехквадрантного инвертора.

Испытательная кабина и пульт ее управления показаны на рис. 2. На фотографии видны два трехфазных инвертора с общей DC-шиной, система жидкостного охлаждения, а также схема управления (сверху). Питание подается на звено постоянного тока, индуктивная нагрузка включена между фазными выходами. Такая схема позволяет регулировать все характеристики инвертора: напряжение питания, ток, cos j. Испытания продолжаются в течение 112 ч при максимальной рабочей температуре, все электрические режимы автоматически записываются системой сбора данных.

Рис. 2. Тест «burn-in» модулей IPM SKiiP четвертого поколения

Без подобных испытаний пришлось бы следовать известному выражению: «хранить в прохладном и сухом месте», которое, как ни странно, можно отнести и к силовой электронике, по крайней мере в вопросах надежности. Чем меньше стресс, испытываемый устройством, тем ниже вероятность того, что оно выйдет из строя. Низкая нагрузка, отсутствие перегрева и небольшие изменения внешней температуры, пониженное напряжение в цепи постоянного тока — все эти факторы способствуют продлению срока службы электронного устройства вследствие уменьшения количества случайных выходов из строя в процессе эксплуатации и в конце срока службы.

То же самое справедливо и для платы управления: оценка частоты ее отказов при различных температурах согласно стандарту SN29500 показывает, что ожидаемая величина FIT увеличивается примерно в 2 раза с ростом рабочей температуры на 20 °C. Поэтому, несмотря на то что максимальная рабочая температура драйверов SKiiP составляет 85 °C, SEMIKRON не рекомендует эксплуатировать их в длительном режиме при T_a > 40 °C.

Однако использование силовых ключей в ненагруженном режиме абсолютно нецелесообразно с коммерческой точки зрения. Для достижения высоких экономических показателей прибор должен постоянно работать на номинальных токе и напряжении при минимальной эффективности системы охлаждения. Поэтому при проектировании всегда приходится искать компромисс между нагрузочными характеристиками и показателями надежности.

SKiiP 4 — особенности конструкции

Интеллектуальный модуль SKiiP представляет собой сложную, высокоинтегрированную систему, содержащую силовой каскад, устройство управления и защиты, датчики тока, напряжения и температуры, а также радиатор (рис. 3). В результате модернизации конструктива, внедрения ряда новых технологий, а также использования кристаллов четвертого поколения диапазон номинальных токов IPM SKiiP 4 (рабочее напряжение 1200 и 1700 В) расширен до 3600 А.

Рис. 3. Внешний вид IPM SKiiP 4

Допустимая токовая нагрузка SKiiP 4 по сравнению с компонентами третьего поколения увеличилась на 30—40%. При этом чрезвычайно важным становится вопрос обеспечения стойкости к термоциклированию, особенно если имеются в виду преобразователи, работающие в условиях циклически изменяющейся нагрузки. В гибридных транспортных приводах новейших поколений используется одноконтурная система охлаждения, температура тосола в которой поддерживается на уровне 105 °С в номинальном режиме и достигает 120 °С при кратковременных перегрузках. Температура чипов силового модуля при этом способна превысить значение 150 °С. А вот во время зимней стоянки привод может остывать до температур, близких к точке замерзания охлаждающей жидкости. В табл. 1 приведены технические требования для электронной аппаратуры, размещаемой в подкапотном пространстве автомобиля с жидкостным охлаждением.

Работа стандартных модулей в подобных условиях неизбежно ведет к сокращению их ресурса. Только специализированные силовые ключи, конструкция которых адаптирована для применения в составе транспортного привода, могут обеспечить требуемые показатели надежности.

В основе концепции SKiiP лежит принцип прижимного соединения изолирующей DCB-подложки, на которой установлены силовые чипы, с теплостоком. При этом из состава модуля исключаются медная базовая плата и, следовательно, паяный слой большой площади. Именно термомеханические напряжения, возникающие в этом слое при перепадах температуры, чаще всего приводят к отказам стандартных силовых ключей. Использование «безбазовой» прижимной технологии сборки SKiiP позволяет более чем в 5 раз повысить стойкость к термоциклированию и существенно улучшить тепловые характеристики. В результате исключается возможность возникновения термо­механических стрессов при изменениях температуры и предотвращается развитие усталостных процессов в припое.

Дальнейшее улучшение показателей надежности модулей четвертого поколения достигнуто в результате внедрения технологии низкотемпературного спекания для установки кристаллов [6]. Новейшие методы сборки и использование чипов с расширенным температурным диапазоном IGBT Е4 и диодов CAL 4 делают интеллектуальные силовые ключи SKiiP 4 самыми мощными и компактными IPM на рынке силовой электроники [7].

Конструкция копланарной шины с многоточечным доступом к кристаллам была разработана и внедрена в модулях SKiM 63/93. Ее внешний вид и топология DCB-подложки показаны на рис. 4. Каждый из чипов IGBT и диодов подключается к DC-терминалам с помощью индивидуальных контактов, что позволяет обеспечить максимально равномерное распределение токов.

Рис. 4. Особенности конструкции SKiiP4: DCB-плата с кристаллами IGBT и диодами, копланарная силовая шина, прижимная пластина с сигнальными пружинными выводами

Силовая шина SKiiP 4 одновременно выполняет несколько важных функций, в частности она осуществляет прижим керамической DCB-платы к теплоотводу. Благодаря наличию большого количества точек давления, расположенных в зонах локального тепловыделения кристаллов, обеспечивается гомогенная передача тепла на радиатор. Кроме того, многоточечная контактная система позволяет производить токовый обмен между терминалами и чипами по кратчайшему пути. Копланарная конструкция шины гарантирует предельно низкое значение распределенного сопротивления и индуктивности, благодаря чему удается снизить уровень потерь внутри модуля и дисбаланс токов в параллельных цепях.

Высокая плоскостность керамики и отсутствие «биметаллического» эффекта дают возможность использовать более тонкий слой теплопроводящей пасты (толщиной около 20 мкм). Напомним, что для компенсации указанного эффекта у стандартных модулей с медной базой толщина слоя пасты должна быть в пределах 50–100 мкм.

Второй (по интенсивности отказов) проблемой является паяное соединение чипов и керамики, альтернативы которому до настоящего времени не было. Наиболее сильно эта связь подвержена воздействию «коротких» термоциклов длительностью несколько секунд. Кроме того, температура плавления большинства используемых в силовой электронике припоев составляет 220 °С, что естественным образом ограничивает и температурный диапазон работы модулей. Поэтому перегрев чипов неизбежно ведет к сокращению срока службы.

Рис. 5. Деградация паяного соединения чипа при термоциклировании

Чтобы установить кристаллы IGBT и диоды на DCB-плату SKiiP 4, применяется технология низкотемпературного спекания серебряной нанопасты [6], впервые в мире использованная SEMIKRON при производстве модулей SKiM 63/93. Спеченный слой серебра имеет более высокую теплопроводность, чем припой, а температура его плавления (960 °С) во много раз превышает рабочую температуру чипов (табл. 2). Таким образом, удается многократно повысить надежность соединения и его стойкость к термоциклированию, а также полностью исключить вероятность развития усталостных процессов (рис. 5).

SKiiP 4 — показатели надежности

Одной из причин отказов силовых модулей в средней части кривой надежности является космическая радиация. Воздействие высокоэнергичных нейтронов приводит к образованию свободных носителей заряда в выключенном кристалле. Если при этом генерируется достаточное количество носителей, происходит пробой электрического поля и чип теряет свою блокирующую способность. Следствием этого является его термическое разрушение, вызванное разрядом конденсаторов звена постоянного тока через образовавшуюся цепь короткого замыкания. Защититься от атмо­сферных нейтронов, как правило, невозможно, поскольку для заметного снижения уровня нейтронного облучения требуется, по крайней мере, несколько метров бетона.

Интенсивность отказов, вызванных космическим излучением, зависит от приложенного напряжения. При 75% от номинального значения V_CE (900 В для модулей 12-го класса, 1300 В — для 17-го класса) она составляет более 20 FIT на один полумост. Поэтому, даже если полупроводниковый прибор и рассчитан на эксплуатацию при таком напряжении, SEMIKRON не рекомендует использовать его в длительном режиме. При работе на 65% от номинальной блокирующей способности частота отказов, вызванных воздействием космических лучей, оказывается незначительной (менее 1 FIT на один полумост).

Силовая секция SKiiP

Нижняя граница интенсивности отказов силовых модулей, вызванных космическим излучением, известна, однако не существует общепринятой методики определения общей величины показателя FIT для IPM IGBT с учетом их структуры (в отличие от микроэлектронных устройств). Поэтому единственным способом получения реальной статистики является наблюдение за работой полупроводниковых ключей в полевых условиях.

По интеллектуальным силовым модулям SKiiP третьего поколения компания SEMIKRON обладает большой статистической базой данных, сформированной по результатам анализа работы более чем 4000 ветрогенераторов, выпускаемых ведущими мировыми производителями и производящих (по данным 2010 г.) более 60 ГВт электроэнергии. Ветроэнергетические установки (ВЭУ) работают на всех континентах, каждая из них содержит от 6 до 24 модулей IPM SKiiP.

Cрок эксплуатации ВЭУ достигает свыше десяти лет при суммарной наработке около 30 млн ч, что подтверждает высокую достоверность статистических данных. Оценка полученных результатов показала, что средняя интенсивность отказов составляет 30 FIT (на один полумостовой элемент). Компоненты нового поколения SKiiP4 представлены на рынке сравнительно недавно, поэтому по ним не накоплено достаточно информации, для того чтобы четко определить параметр FIT. Однако с учетом того, что они имеют более современную и надежную конструкцию (в первую очередь вследствие замены пайки на технологию диффузионного спекания серебра [5, 6]), SEMIKRON ожидает снижения частоты отказов примерно на треть, т. е. до 20 FIT на один полумост.

Плата управления SKiiP

Интенсивность отказов микроэлектронных устройств, к которым можно отнести драйверы затворов, может быть определена по методике, приведенной в стандартах SN29500 или MIL-HDBK-217. Для платы управления силовой секцией SKiiP показатель FIT рассчитывался при температуре окружающей среды 40 °C и номинальном токе нагрузки в соответствии с SN29500. Однако опыт эксплуатации драйверов показывает, что полученные таким образом значения могут превышать истинные более чем в 10 раз. На самом же деле обработка статистических данных, речь о которых шла выше, демонстрирует стабильную величину частоты отказов в районе 80 FIT для драйвера SKiiP3 4GB (четыре полумоста), что в 30 раз ниже расчетного значения. На основе этого показателя можно рассчитать реальную интенсивность отказов устройства управления силовой секцией SKiiP — полученные результаты приведены в табл. 3.

С помощью методик стандарта SN29500 можно определить зависимость показателя FIT от температуры окружающей среды. Подобный график для SKiiP3 4GB показан на рис. 6.

Рис. 6. Зависимость частоты отказов SKiiP3 4GB от температуры, рассчитанная по стандарту SN29500; условная единица соответствует показателю FIT при T_a = 40 °C

Методики ускоренных испытаний на надежность предполагают, что процессы, инициируемые энергией активации, экспоненциально зависят от температуры (закон Аррениуса). Например, «медленный» тест на активное термоциклирование при DТ = 30 К будет продолжаться 30–100 лет, однако это время можно существенно сократить, увеличив градиент температуры. По окончании испытаний полученные результаты пересчитываются с учетом нормальных условий эксплуатации.

Общий вид формулы для определения количества циклов до отказа N:

где Е_А — энергия активации; k_b — постоянная Больцмана; Т — абсолютная температура; B — эмпирический коэффициент.

Если известна интенсивность отказов для определенного температурно-зависимого механизма, то можно построить соответствующую кривую для всего диапазона рабочих температур путем изменения величин В и Е_А.

Справочные значения параметров электронных компонентов, приведенные в спецификациях, являются начальными, они не описывают изменения, происходящие в течение срока службы. Отметим, что это находится в противоречии с рядом положений, изложенных в стандарте IEC 60747, который требует (в последней редакции), чтобы верхние пределы характеристик обеспечивались даже после окончания испытаний на долговечность.

SKiiP — системные показатели

Основываясь на приведенных выше данных, можно определить показатели надежности всей системы SKiiP, включающей силовую секцию, драйвер затворов, датчики напряжения, тока и температуры. Соответствующие величины параметра FIT приведены в табл. 4 и 5.

Заключение

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

Для определения показателей надежности IPM SKiiP компания SEMIKRON разработала математическую модель, позволяющую довольно точно определить влияние параметров термоцикла на интенсивность отказов и ресурс. Однако 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 друг от друга. Например, невозможно получить маленький градиент температуры ΔT_j при больших токах перегрузки или длительном времени работы ключа. Следовательно, чтобы обеспечить некоторое фиксированное значение DT_j, определенный ток должен протекать в течение конкретного времени.

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

В отличие от выпускаемых в огромных количествах микроэлектронных устройств, статистика отказов по силовым модулям, а особенно по IPM, гораздо беднее. Тем не менее опыт применения интеллектуальных силовых модулей SKiiP в ветроэнергетических установках позволяет получить достаточно достоверные данные о надежности этих сложных, функционально насыщенных изделий.