(AVT)已经描述过,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(第5.2 节的功率损耗列表)。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,LESIT 研究机构给出了第一个研究结果[文献52],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2.7.15 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。这在下一节IGBT 模块中讨论。
LESIT 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。在[文献53]中,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: