本文器件应力降额设计思路参考《器件应力及关键用法规范》相关通用技术准则与赛米控SEMIKRON《Applikationshandbuch Leistungshalbleiter》功率半导体应用手册中的内容结合器件工作特性及工程实际应用场景进行归纳重构与优化分析仅用于学术研究设计探讨非原文照搬与商业复用相关基础规范出处予以标注说明1.产品典型工作区、短时稳态工作区、极限瞬态工作区定义1.1 A 区典型工作区简称 “A 区”指产品规格书规定范围内市场上最可能遇到的典型工作条件由环境温度、输入电压、输出负载等多因素组合而成。判定标准概率该工况在市场上发生概率为10% ~ 100%时间一年中累计工作时间为36 ~ 365 天占全年 10%~100%设计与处理原则优先依据经验 / 调研确定典型工况若无法确定则以规格书标称范围的最大值作为典型值如最高工作电压。A 区是产品最主要的运行场景降额裕量不足会直接导致市场高失效率因此降额要求最严格。1.2 B 区短时稳态工作区简称 “B 区”指产品规格书规定范围内市场上可能遇到的最恶劣且持续较长时间的工作条件。判定标准概率该工况在市场上发生概率为1% ~ 10%时间一年中累计工作时间为3.6 ~ 36 天占全年 1%~10%设计与处理原则依据经验 / 调研确定短时稳态工况若无法确定则以标称范围的极限值作为短时稳态工况如最低电压 最高温度 满载组合。发生概率低于 A 区降额要求相对宽松但工况恶劣仍需严格满足降额要求否则也会引发高失效率。1.3 C 区极限瞬态工作区简称 “C 区”指产品规格书规定范围内市场上可能遇到的短暂、极端应力的瞬态工作条件。典型场景开机启动、输入欠压、OCP/OVP 保护、负载跳变空载→满载 / 短路、输入跳变、短时过载等。判定标准概率该工况在市场上发生概率 1%时间一年中累计工作时间 3.6 天占全年 1%设计与处理原则发生概率最低降额要求最宽松但不得超过器件允许的极限值瞬态应力往往更大易造成过应力失效设计 / 测试时必须主动识别并满足应力要求特殊产品需在规格书中单独定义 C 区由测试部进行白盒应力验证。1.4 工程应用总结优先级A 区 B 区 C 区A 区是设计核心必须保证最充足的降额裕量。不确定性处理无法明确工况时A 区取最大值B 区取极限值C 区严格不超器件手册极限。特殊产品若通用划分不适用需在产品规格书中重新定义三区并同步给测试部做验证。2.什么是器件应力Device Stress器件应力是指电子元器件在工作时内部或外部施加的电、热、机械等各类载荷这些载荷会影响器件的可靠性、寿命甚至直接导致失效。可以把它理解为器件在实际工作中 “扛” 的压力有多大压力越大越容易坏。2.1常见的器件应力类型电应力最核心电压应力施加在器件两端的电压如 MOS 管的 Vds、电容的耐压、二极管的反向电压Buck电路中的电压应力输入电容CIN和高边开关管Q1上的最大电压为输入电压最大值 V_(IN,MAX)续流二极管/低边开关管D上的最大电压为开关节点电压 V_SW 在忽略 V_(DS(ON)-H) 的情况下该电压最大值等于 V_(IN,MAX)输出电容Co上的最大电压等于输出电压 V_OUT这就是降压电路的电压应力也是电路设计时各元件耐压值的选型依据。链接BUCK电路的电压应力有哪些电流应力流过器件的电流如电感的饱和电流、电阻的功耗电流、IGBT 的集电极电流功率应力器件消耗的功率PV×I会转化为热量如 MOS 管导通损耗、二极管导通损耗瞬态电应力短时冲击如浪涌电压、尖峰电流、ESD 静电、负载跳变时的电流冲击热应力结温 / 壳温器件内部核心温度如 MOS 管的 Tj、电容的核心温度链接半导体结温 - 知乎温度循环反复冷热变化如开机 / 关机、环境温度波动导致的热胀冷缩引发焊点开裂、封装老化IGBT基板边缘脱层 不同基板材料热障冷缩开裂 IGBT键合线断裂来源(1)J. Lutz et al. “Semiconductor power devices”. In:Physics, characteristics, reliability2 (2011).(2)V. Smet et al. “Ageing and failure modes of IGBT modules in high-temperature powercycling”. In:IEEE transactions on industrial electronics58.10 (2011), pp. 4931– 4941.热梯度器件不同部位温差过大产生机械应力如下图所示为IGBT模块结构图为本人绘画使用需注明来源。来源P. Semiconductors. “Application manual power semiconductors”. In:SEMIKRON International GmbH: Nuremberg, Germany(2010).机械应力振动 / 冲击设备运行或运输时的振动、跌落导致引脚断裂、封装开裂安装应力焊接、螺丝紧固、PCB 弯曲产生的机械拉力 / 压力封装应力芯片与封装材料热膨胀系数不匹配长期使用导致内部裂纹环境应力湿度 / 潮气引发腐蚀、漏电、绝缘下降例如上图高温高湿会使得IGBT内部发生电化学反应产生金属枝晶从而有漏电流产生。来源C. Zorn and N. Kaminski. “On the Degradation of IGBT Modules in the Temperature Humidity Bias (THB) Test at High Bias Levels”. In:ISPS’14; 12th InternationalSeminar on Power Semiconductors. 2014, pp. 158–165.盐雾 / 粉尘加速金属腐蚀、降低绝缘性能IGBT发生铝腐蚀来源C. Zorn, N. Kaminski, and M. Piton. “Impact of humidity on railway converters”. In:PCIM Europe 2017; International Exhibition and Conference for Power Electronics,Intelligent Motion, Renewable Energy and Energy Management. VDE. 2017, pp. 1–8.辐射 / 化学腐蚀特殊场景下的老化因素未经允许严禁转载