温度变化对模块寿命有何影响？

温度变化对模块寿命的影响

所有功率模块内部的热循环变化都会导致模块老化。原因是使用材料的热膨胀性不同，所以它们之间热应力是连接疲劳甚至是断裂。模块的使用寿命和承受温度变化的周期数就会随着温度变化的幅度T增加而降低。在几赫兹到几百赫兹的频率范围内，功耗的变化不是由芯片的瞬态热阻抗产生，它只导致模块芯片一个很小的温度波动。

虽然在这个频率下，T不是那么小和低能量，它会被弹性充填物吸收，对模块的老化没有什么影响，它对使用寿命不产生影响。工作在几赫兹，而负荷变化在几秒的范围并会产生高温时，比如，牵引驱动，升降机及间歇脉冲应用等，就会在模块内部产生温度变化负载效应，就会对模块内部的连接带来考验，这些连接是：

导线连接

芯片底部的焊接

DCB 基板和底板的焊接

金属同陶瓷片的熔接（铜在Al2O3 或者 AlN 板上）

在热力学计算中必须进行研究，看看 Tj 是否足够大，以致使我们达不到设计要求。这时，在观察负载周期内，温差 Tj =Tj(max) -Tj(min)，我们这时使用的不是模块的最大温度Tj（最大值）。

负载周期数n 和温度的变化幅度 TJ 的关系取决于很多因素，测量极其困难。在90 年代末，某研究机构给出了第一个研究结果，它揭示了平均温度Tjm对温度变化的依赖性。利用一个参数整合调整对参数A、α 以及注入能量Ea，得出结果是使用寿命满足下列公式：

如图所示，当 Tj 大于30 K 时，负载变化的周期数随着温度变化幅度每上升20到30K 而下降百分之十。当变化周期在几秒到几分钟的范围时，需要考虑低于30K 这些温度振幅变化曲线。这些曲线是测试了由不同制造商生产的模块得到的，并作为技术标准给出。现在结构设计和制造工艺得到改善，所以现在的半导体模块能达到更高的负载周期。

该曲线考虑到了平均温度或在那一级温度变化的影响。但是许多测试结果表明，如脉冲宽度ton 和电流幅度IB 等参数都对测试结果有影响，同样，在AVT 中的参数，如导线的强度和导线的角度以及芯片和焊接层的厚度也会产生影响。经过在各种测试评价，已经提出一个扩展模式。它的参数和有效限制和常数在下表中列出：

例如：如果一个元器件的负载周期数Nf，测试试验周期ton(Test)，脉冲宽度为ton(Anwendung)，结果是：

也就是说，当应用的脉冲宽度为1 /10 的测试周期时，使用寿命大约提高三倍。该模型给出了一个关于各种参数对负荷变化数影响的思考方法，因为物理参数的限制，使它对精确计算使用寿命的作用毕竟有限，因为不是所有的参数都是独立的。例如，在大电流中产生一个小的 TJ 和宽脉冲是不可能的。或者，如当脉冲宽度一定时，对同样的 TJ ，不同的实验周期ton 需要不同的大电流。

审核编辑：刘清