双面散热SiC功率模块的可靠性分析和寿命评估

作     者：欧开鸿 曾正 王亮 吴义伯 柯灏韬 OU Kaihong;ZENG Zheng;WANG Liang;WU Yibo;KE Haotao

作者机构：输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室(重庆大学)重庆市沙坪坝区400044 新型功率半导体器件国家重点实验室(中车时代半导体有限公司)湖南省株洲市412001 

出 版 物：《中国电机工程学报》 (Proceedings of the CSEE)

年 卷 期：2021年第41卷第9期

页      面：3293-3304页

核心收录：

学科分类：080804[工学-电力电子与电力传动] 080805[工学-电工理论与新技术] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 

基　　金：国家重点研发计划项目(2017YFB0102303) 

主　　题：双面散热 SiC功率模块 可靠性分析 寿命模型 

摘      要：双面散热(double-sided cooling,DSC)封装能大幅降低封装寄生电感和结壳热阻,提升电气装备的功率密度,是SiC功率模块的发展趋势。然而,DSC SiC功率模块的失效机理不明、寿命模型缺失,成为制约其商业化应用的关键瓶颈,亟待技术突破。传统加速老化实验方法的成本较高、耗时较长,不利于产品的快速迭代升级。针对DSC SiC功率模块的可靠性研究,文中提出一种基于有限元的分析方法,基于材料的疲劳老化模型及功率模块的失效判据,建立DSC SiC模块的寿命模型。基于大量功率模块的寿命测试结果,验证了有限元模型的可行性和有效性,相对误差小于6%。此外,详细分析SiC和Si功率模块焊层的应力和蠕变规律,建立不同封装功率模块的寿命模型。结果表明:相对于单面散热封装,DSC封装功率模块的寿命提升一倍。采用相同封装,SiC功率模块的寿命是Si功率模块寿命的30%左右。此外,还详细分析了不同封装材料对DSC SiC功率模块寿命的影响规律。为下一代DSC SiC功率模块的研发与应用,提供有益的参考。