功率循环基础篇（三）——从LESIT到CIPS，功率模块寿命预测的演进-电子发烧友网

功率循环（Power Cycling, PC）测试结果经过长期积累后，人们逐步建立了基于经验数据的寿命模型（Empirical Lifetime Models）。这些模型不是从物理机理出发推导的，而是通过大量实测数据统计拟合得出的，用于描述功率模块在特定应力条件下的寿命特征。

一、经验模型的形成与思路

经验模型通常以器件的失效循环次数Nf（Number of Cycles to Failure）为核心指标，通过大量功率循环试验数据拟合得到。

模型的输入变量包括：

- 结温参数：最大、平均或最小温度；- 循环参数：加热/冷却时间、循环频率；- 负载参数：通流电流；- 器件结构参数：芯片电压等级、键合线几何尺寸、封装类型等。

在这些研究中，人们发现功率模块在功率循环条件下的主要失效机制包括：

- 键合线（Bond Wire）失效：包括脱落和颈部断裂；- 焊料层（Solder Layer）失效：包括芯片焊层和基板焊层的疲劳开裂。

模块的寿命终止（EOL）往往由这两类互相关联的失效机制中的任意一种率先发生所决定。

二、LESIT项目与早期模型

上世纪90年代初，欧洲多家功率模块制造商开展了著名的LESIT项目，这是功率循环寿命研究的重要里程碑。该项目建立了第一个通用的经验模型，其形式基于Coffin–Manson法则：

随后，LESIT模型进一步引入了平均结温的影响，通过Arrhenius修正项表达热激活效应：

在对数坐标下（log (Nf) – log (ΔTj)图），该模型呈线性关系，但LESIT模型未区分不同的失效机制（键合线与焊层），因此只能代表混合失效模式下的平均统计结果。

三、分离失效模式的必要性

在实际功率循环试验中，不同失效模式对应的应力特征并不相同：

- 键合线失效对结温变化幅度（ΔTj）敏感；- 焊层疲劳失效则更受平均结温（Tj,m）和时间应力（ton, toff）影响。

早期的LESIT数据库难以区分失效主导模式，因此只能采用统一模型进行拟合。随着新一代模块封装与互连技术的发展（如银烧结、强化焊层设计等），研究人员可以人为控制并区分主要失效模式，从而分别建立更具针对性的经验模型。

四、CIPS2008模型：多参数拟合的扩展

德国INFINEON公司在CIPS项目中（Bayerer等人）提出了更复杂的经验寿命模型，即著名的CIPS2008模型。该模型在LESIT基础上增加了多项影响因素，包括通流电流、加热时间、键合线直径及芯片电压等级等：

该模型体现了多参数对寿命的复合影响，能够更好地反映不同工况下的寿命趋势。但同时也存在两点局限：

- 参数耦合性强：如ton与最高结温往往相关，实验中难以独立控制；- 适用性受限：模型主要针对工业标准模块，不适用于牵引等厚芯片应用。

因此，CIPS2008模型的应用需严格限定在其原始实验范围内。同时该公式里的β值并不容易获取，需要大量的实验数据。常常一款新产品上市好几年了，功率循环还没测试完。

五、SEMIKRON模型与烧结技术的引入

近年来，随着银烧结（Ag Sintering）技术在模块封装中的应用，传统的焊层疲劳问题显著改善。SEMIKRON（Scheuermann等）针对采用银烧结和优化键合线几何的SKiM模块，提出了新的经验模型：

该模型基于97组功率循环试验数据，历时约5年建立。试验表明：

- 增大键合线高度可显著提升寿命；- 焊层失效在高温区主导，而键合线失效在中低温区主导；- 中间温度范围内两种失效机制共存并导致逐步退化。

这一研究首次清晰地分离并量化了不同失效机制的影响，为面向结构的寿命预测模型提供了基础。

六、总结与展望

功率循环寿命模型的演进体现了从经验统计到机理区分的逐步深化过程，具体阶段特征如下：