提高功率电子模块的可靠性

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在可预见的将来,功率电子组件的使用将持续不断的增加。任何需要电力变换、转换或控制等功能都需使用各种形式的功率电子组件。如图1所示,功率电子组件广泛应用于各种不同的行业。红色圆圈所代表的是需要使用功率模块的行业,如汽车业(电动汽车、混合动力汽车、燃料电池汽车等其他轮式汽车)、可再生能源业(光伏逆变器、风力发电机、太阳能电站、卫星太阳能面板)、铁路设施(引擎组件、牵引控制系统)、以及高端马达驱动器。这些功率电子组件一般由多种IGBT(绝缘栅双极晶体管)或功率MOSFET(金属氧化物半导体场效晶体管)组成。
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图1  功率电子组件的应用。红色圆圈表示需使用大功率模块的行业。在大功率电子行业中,电动汽车、混合动力汽车及其充电站对功率电子组件的需求都有显著增长。(来源:法国市场调研机构YoleDeveloppement。)

可靠性挑战

对于使用IGBT或功率MOSFET的用户而言,可靠性是他们关注的首要议题。在这些行业中,产品的高可靠性和长使用寿命尤其重要。用户期望电动车在连续15至20年内不出现任何重大维修问题,而铁路产业则需持续使用至少30年或更久。对于时常派遣维修人员对离岸风力发电机进行维修显然是不可行的,卫星太阳面板甚至需永久性的使用。热失效是高可靠性无法实现的主要原因。功率循环会使IGBT芯片端产生的热通过模块并散发到周围环境中,其产生的应力及热会破坏模块。焊线可能因疲劳老化的原因而脱落或断裂,甚至进一步恶化导致完全失效。模块的封装内部层次,特别是芯片焊接处会因热-结构应力的作用下而脱层并破裂。在完全失效前,这些模块本可承受上万、甚至数以百万的功率循环次数。

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