影响电源模块可靠性和性能的挑战

本系列博客文章的第二篇，我们将进一步探讨足以左右电源模块可靠性和性能的各种现实挑战。

在早前Flex Power Modules的一篇博客文章中，我们探讨了电源模块平均故障间隔时间（MTBF）计算值的可靠性。我们当时的结论是，只有在完全相同、静态的条件下比较产品时，数据表上的数值才有意义。即便是加速测试，也很少能真实反映实际应用场景。现场退货率的差异过大，也无法作为普适参考指标。我们也曾指出，由于老化导致使用寿命有限，并不等同于在使用期内的可靠性很差。

在实际应用中，只要运行环境稳定，即使在高温条件下，来自可信制造商的电源电子模块通常也非常可靠。许多模块在进行加速可靠性测试时，常常在整个测试周期中都未出现任何故障。在这种情况下，行业中通行的方法是，假设模块即将出现故障，从而至少可以计算并标示出一个保守的最小MTBF值。

故障仍会发生

然而，电源模块仍然会发生故障，而且几乎总是由于恶劣的环境条件造成，这些环境条件可能包括冲击、震动、电气瞬态和静电放电（ESD）等。但在像数据中心这种专业的应用环境中，这些影响往往能够被识别并加以控制。但是有一种影响是难以避免的，那就是温度波动，它会导致模块内部以及其接点之间材料的不均匀膨胀和收缩，并可能引发冷凝和腐蚀。这些温度波动可能由环境温度变化引起，但更常见的原因是设备自身发热与负载突变后的冷却。现代电源转换器设计效率虽高，但用户通常也会利用这一优势，从更小体积的模块中获取更多功率，因此负载突变所引起的能耗变化和内部温度波动仍然可能很大。

然而通过尽可能将处理器切换至“空闲”模式以降低平均功耗并没有改善这种情况。尽管这种方法有效，但也带来了额外的复杂性。从近乎零负载骤然上升到数百安培再快速回落，不仅对电源模块维持输出电压提出了挑战，也会造成内部快速的温度波动，进而形成长期的机械应力和潜在损伤。

CTE不匹配是固有问题

如果电源模块内部从其连接主板再到散热器路径上的所有材料都是均质的，温度波动造成的应力将非常有限。然而现实中，典型模块的热路径中包含多种材料，如硅、铜、陶瓷、玻璃纤维、铝、焊料等，内部元件周围甚至可能还包有封装材料，产生挤压或拉伸。这些材料的热膨胀系数（CTE）各不相同。CTE即材料线性尺寸随温度变化而变化的比率，单位通常为µm/m·K。例如，铝的CTE大约是23 µm/m·K，而硅晶片大约只有3 µm/m·K。在温度变化达到100°C（这是功率半导体中常见的情况）时，铝的焊接区域会比下方的硅晶片膨胀约八倍。以1 毫米长度为例，铝的膨胀约为2.3 微米，而硅只有0.3 微米。

最新的DC/DC模块功率开关器件通常采用宽禁带材料，如碳化硅或氮化镓。虽然它们的CTE比硅略高（分别约为4和5），但与常用接口材料的匹配程度更高。对于高功率密度的DC/DC转换器来说，如今这些开关器件几乎都采用球栅阵列（BGA）或面栅阵列（LGA）封装，取代了传统的引脚式封装。过去的引脚式设计在一些CTE差异较大的界面上（例如从引线框架经由焊点至铜走线）还具备一定的机械应力缓冲作用。而如今的新型封装结构在紧凑性和性能上更优，但在从主板到芯片本体，再到可能存在的顶部散热结构的多层材料堆叠中，各种材料间存在的CTE不匹配可能会引发问题，例如微裂纹，甚至结构脱层或焊点脱落等现象。

已封装功率半导体及其多种材料CTE系数示意图

AL ALLOY BOND WIRE CTE：铝合金键合线CTE

ENCAPSULANT CTE：封装剂CTE

Ni PLATING CTE：电镀镍CTE

AL ALLOY METALIZATION CTE：铝合金金属化CTE

DIE (Silicon) CTE：芯片（硅）CTE

LEADFRAME CTE：引线框架CTE

SOLDER CTE：焊料CTE

FR4 CTE：FR4 CTE

COPPER CTE：铜CTE

理想的可靠性测试法

传统上，设备或模块的寿命测试是在恒定温度下进行，或在可控环境中进行重复温度循环，温升/降速率通常约为每分钟15°C。热冲击测试则更严苛，速率可以达到每分钟40°C。这些测试方法是第三方认证机构的标准流程，但若想获得更贴近实际使用情况的测试结果，最好直接模拟最终应用场景。例如在数据中心的应用场景中，环境温度通常保持稳定，而负载则按照既定的模式、斜率及重复周期波动。由此产生的热应力，与在固定负载条件下因环境温度变化所引发的应力效应存在显著差异。

Flex Power Modules设计其电源模块时，致力于将CTE不匹配相关问题造成的影响降至最低，并基于典型市场使用条件进行热测试。但我们也会与客户密切合作，模拟具体应用环境，从而实现更加准确、可信且适用于现实的可靠性评估。