功率器件的寿命评估

功率器件，工业的CPU，其工业应用非常广泛，如电源管理（开关电源、逆变器）、电驱动（变频器）、医疗设备（医用电源、医用动力）、工业自动化、轨道交通，新能源（光伏、风电、新能源汽车）、电力传输等等诸多领域。

整机的质量往往是取决于功率器件的性能和可靠性，在整机开发过程中，首先会关注功率器件的寿命评估模型。

功率循环实验是功率器件加速老化的主要手段，通过功率循环实验，可以得到功率器件的寿命曲线，如下图：

功率循环寿命曲线

主流厂商器件的技术规格书里面一般都有寿命曲线，左边的图和右边的有一些不一样。两张图都是等结温差（ΔTj）的功率循环寿命曲线，纵坐标是循环次数，横坐标是结温差的大小，左图是不同Tjmax寿命曲线，分别是100°C，125°C和150°C，举例说明，如果ΔTj等于80°C，Tjmax是100°C表示芯片的结温在20°C到100°C之间周期性变化，不同的结温差只改变Tjmin，以此类推。右图分别Tjmax为125°C和Tjmin为25°C的寿命曲线，举例说明，如果ΔTj等于80°C，Tjmax为125即是器件结温从45到125之间做功率循环，Tjmin是25表示器件结温从25到105之间循环，以此类推。

从图中不难看出，功率循环的循环次数和温度强相关。所以，实验过程中结温的测量精度就是很重要的数据要求。由于加热电流的电压无法准确的表示结温值，结温的测量通常通过测试电流的外插法去计算，在结温测量方法上必选满足JEDEC51-14的标准，即两个非常重要的技术：A，高速剪差开关，要求大电流切换成小电流的时间尽可能的小（目前行业最高水平是1us；B，数据采集的同步技术，需要小电流的测试数据有精准（微秒级）的时间坐标。（参考文章：关于JESD 51-14标准的理解和说明）。

功率器件Die部分的时间常数是微秒级，这要求在微秒级阶段就需要采集到大量的有效数据，然而，目前市场上存在的很多功率循环或间歇寿命测试老化设备，因为设备不具备高速剪差开关技术和微秒级同步技术，有效数据往往是1ms以后的（有的显示有，但实际不是真的）。1ms后，实际结温已经下降了十多度，采集到的电压信号表示的温度和实际温度相差很多，这样做出来的功率循环次数N，也就失去了物理意义。从这层意义去推断，未来的功率循环或者间歇寿命测试老化设备，从技术上，首先要满足这两个条件。

通过实验，我们得到了某器件的加速老化数据N，并形成类似上图的寿命曲线，我们就可以做相应的寿命估算。

寿命估算的大致流程如下：

寿命估算计算流程

根据实时功耗曲线（Mission Profile），估算器件的实时结温变化曲线，离散后得到温度幅值分布，再和器件的寿命曲线相比较，计算功率器件的使用寿命（Miner损伤理论）。

实际操作中，功耗到结温变化曲线，大部分公司用Matlab或者仿真软件计算，也有手算（误差可能比较大），然后再用疲劳软件去计算可靠性，数据要在几个工具间转换，比较繁琐。鲁欧智造基于行业应用流程，开发了一套寿命估算工具，通过简单的设置，就能很快的对目标进行有效的寿命评估，欢迎业界试用和斧正。

工具输入时域功耗曲线（实际目标和测量值），基于器件的Zth（仿真或者实际测试结果，如果是测试结果，一定要基于JESD 51-14的标准），鲁欧开发了一个基于卷积算法的实时结温计算工具，再通过雨流计数法去计算可靠性，把计算结果和器件的寿命曲线去比较，结合安全系数，算出CDI（cumulative damage index，累计损伤指数）的值。

鲁欧的卷积算法和仿真工具相比，大幅缩短了计算时间，仿真工具可能需要几小时，而卷积算法的时间是用秒来作为计量单位的。

从上图可以看出卷积算法相对于仿真结果，误差可以控制在3%以内，满足实际的工业应用。这个工具还可以估算硬件在实际工作载荷下对应的最大结温，在设计的早期就能判断设计方案是否可以满足应用要求，避免不必要的损失。

雨流计数法的结果也和主流的仿真软件一致。Miner损伤理论认为，材料在各个应力幅下的疲劳损伤是独立的，总损伤是可以线性叠加的。那么如果实际载荷的累积损伤等于功率循环的累计损伤，就可以估算出实际的使用寿命。

在CDI的计算值上，鲁欧寿命计算工具和其他计算软件重合度很高，说明鲁欧的寿命计算工具，即简便好用，又能保证精度，为企业实际的研发工作带来了巨大的效益。

审核编辑 黄宇