晶閘管壽命評估技術研究

張濤　唐堂　蒼久龍　施海寧　于海洋

摘 要：為了能夠得到有效的晶閘管加速壽命試驗方案及其相關失效數據，利用現有的晶閘管壽命評估理論，結合晶閘管的運行狀況及其相關失效機理，探索一種更完善的新型晶閘管加速壽命試驗方法。通過分析總結晶閘管主要的失效機理，提出與晶閘管老化關系及失效機理最密切的加速壽命試驗方案。

關鍵詞：晶閘管;失效機理;壽命評估

中圖分類號：TM621 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）26-0032-03

Discussion on Life Evaluation Technology of Thyristor

ZHANG Tao TANG Tang CANG Jiulong SHI Haining YU Haiyang

（Suzhou Nuclear Power Research Institute， Suzhou Jiangsu 215004）

Abstract： In order to get effective thyristor accelerated life testing scheme and its related failure data， we use the existing thyristor life assessment theory， combined with operation condition of the thyristor and its related failure mechanism， to explore a more perfect new thyristor accelerated life test method. This paper summarizes the main failure mechanism of the thyristor， an accelerated life test scheme is proposed which is closely related to the aging and failure mechanism of thyristors.

Keyword： thyristor;failuremechanism;life evaluation

在現代工業領域中，晶閘管廣泛應用于各種電力電子設備。因此，為提高晶閘管的可靠性，制造商不斷改進模塊結構，開發新型的封裝材料，提高現有工藝水平，以滿足日益新增的各種應用系統需求。廣大使用者則更加關注晶閘管在不同環境條件下的工作壽命。在正常工作應力下，要想得到失效數據，需要一個相對較長的時間。所以，很多學者嘗試探尋晶閘管的老化機理，針對晶閘管的老化機理進行加速壽命試驗，從而在相對較短的時間內獲得更多有價值的失效數據[1]。

晶閘管加速壽命試驗已有多年研究歷史，主要原理是在晶閘管高于正常工作應力的條件下縮短其失效時間，得到較多的失效樣品和失效數據進行分析[2]。本文在已有的加速壽命試驗基礎上改變試驗條件，提高加速應力，提出更優越的晶閘管加速壽命試驗方案。

1 晶閘管失效機理分析

從外界線路對晶閘管的影響來看，由于晶閘管長期工作在復雜的電路環境中，流經晶閘管的電壓和電流對其產生日積月累的影響，再加上電磁波的干擾，各種負荷越來越嚴重，加速了晶閘管的老化，導致其在壽命周期內會提前失效。對晶閘管內部組成結構進行分析，電路的換流由硅芯片完成，而電氣連接、絕緣性能以及散熱優良則取決于封裝材料。晶閘管內部結構疲勞的積累，加上外部惡劣運行環境的綜合作用，導致其最終失效。綜合以上因素，晶閘管的失效可歸納為封裝失效和芯片失效兩個方面[3]。

1.1 封裝失效

晶閘管的簡化結構如圖1所示。晶管內部多層材料的膨脹系數不一致，致使其在長期的熱循環與功率循環沖擊作用下引起焊料層疲勞，甚至造成芯片引線斷裂直至失效。在器件的制造過程中，因生產工藝等造成焊接層與引線之間存在原始裂紋，是加速封裝材料老化的誘因。通過長期的實踐和調研發現，與封裝相關的失效主要是引線脫落和焊料層疲勞所致。

1.2 芯片失效

芯片是半導體材料的核心部件。芯片失效意味著晶閘管徹底失效。大量的研究表明，與芯片相關的失效有電氣應力、靜電荷釋放和閂鎖效應[4]，并認為晶閘管的熱機械疲勞是引起失效的主要原因，可概括為晶閘管的實際結溫不能超過其規定的工作結溫。半導體瞬時結溫超過平均結溫會改變晶閘管復合速率、內部載流子遷移率和門檻電壓等參數，從而影響晶閘管的各項性能指標而引起與芯片相關的失效。如前文所述，晶閘管內部多層材料的膨脹系數不一致，結溫頻繁波動會引起焊接層脫落或降低強度甚至導致焊料層老化或引線脫落，縮短晶閘管的工作壽命。

2 加速壽命試驗方式

加速壽命試驗即在高于正常工作應力下使元器件運行環境更惡劣，導致器件加速失效。這樣可以在短時間內獲得較多的失效數據[5]，結合晶閘管壽命分布的相關信息，對獲得的數據進行反推，得出在正常應力運行時晶閘管的壽命時間。

加速壽命試驗的類型較多，常用的有恒定應力加速壽命試驗、步進應力加速壽命試驗和序進應力加速壽命試驗。

①恒定應力加速壽命試驗。試驗方式為將試品分為[k]組，每組[x]個試品分別在不同應力下進行試驗，直到出現試品失效為止。

②步進應力加速壽命試驗。試驗方式為將全部試品作為一組，所有試品先在一個較低的應力下進行試驗，若有試品失效則退出試驗，若無試品失效則增加應力水平進行下一次試驗。這樣可能某一個試品會進行若干次加速應力試驗。

③序進應力加速壽命試驗。試驗方式與步進應力加速壽命試驗相似，不同之處在于這個應力水平隨著時間的增加而增加。

這3種加速壽命試驗的特點各不相同。對于恒定應力加速試驗，需要較多的試品數量才能做到每組試品都有失效數據。對于步進應力加速試驗，較恒定應力加速試驗可減少試品數量，但得到的相對結論并沒有恒定應力加速試驗理想。對于序進應力加速試驗，它要有專門控制應力水平變化的設備和跟蹤產品失效的記錄設備。雖然這3種加速壽命試驗均可得到產品失效的數據，但權衡結論的可靠性，選擇恒應力加速壽命試驗方案。

3 加速壽命試驗方案

如前文所述，晶閘管的老化歸根結底是溫度應力的作用。不同材料封裝在一起的多層結構膨脹系數存在差別，在溫度循環過程中膨脹所產生的機械形變不同，導致器件材料受到不同程度的壓縮或拉伸應力。這種機械應力破壞器件內部的連接部分，最終導致晶閘管的失效。目前，給晶閘管提供溫度過應力的加速壽命試驗方法有功率循環和溫度循環試驗兩種。前者通過晶閘管自身功率損耗產生溫度循環，模擬器件工作條件下的可靠性。后者通過外界環境溫度改變產生溫度循環，模擬器件所處場所氣候條件和存儲環境下的穩定性。

3.1 方案確定

本文在溫度循環試驗的基礎上，利用高低溫濕熱交變老化試驗箱設備給試品加入70%恒濕環境，加速失效過程，另外利用穩壓電源給試品提供加速試驗電壓。

選擇晶閘管壽命失效的判據是晶閘管在過應力失效后導致漏電流增大，其漏電流的增大呈現出幾何分布，在達到一定量電壓時晶閘管的漏電流將會急劇上升，從而造成晶閘管耐壓降低。這里測得晶閘管的導通壓降下降5%時，便認定該試品已經發生老化失效。

3.2 壽命評估模型

本試驗采用的壽命評估模型為：

此處設計3種控制變量的加速老化試驗，通過曲線擬合求取模型常數m、n，再基于威布爾分布和平均秩計算法的可靠性理論進行評估，得到晶閘管在相應試驗溫度下老化參數降級到預訂指標所需的平均運行時間，然后結合壽命評估模型、模型常數以及平均運行時間評估晶閘管壽命。

4 加速壽命試驗的實施

本試驗共準備3組晶閘管試驗樣品，3組試品要分別進行加速壽命試驗。將每組試品分別置于高低溫濕熱交變老化試驗箱中，試驗箱設定恒濕70%不變，而溫度設定交替變化。同時，需用大功率穩壓電源向試驗箱中晶閘管供電，通過定時開關功能控制穩壓電源開斷，使試驗晶閘管高溫時通電，低溫時斷電交替運行。

每組試驗具體設計如下：①第一組晶閘管先在得電條件下125 ℃運行20 h，然后在斷電條件下-40 ℃運行20 h，后續反復得電125 ℃、20 h，斷電-40℃、20 h，電壓為額定電壓120%循環運行;②第二組晶閘管先在得電條件下135 ℃運行20 h，然后在斷電條件下-40 ℃運行20 h，后續反復得電135 ℃、20 h，斷電-40 ℃、20 h，電壓為額定電壓120%循環運行;③第三組晶閘管先在得電條件下125 ℃運行20 h，然后在斷電條件下-40 ℃運行20 h，后續反復得電125 ℃、20 h，斷電-40 ℃、20 h，電壓為額定電壓130%循環運行。

在3組試驗的交替循環運行中，每個循環運行周期內，利用萬用表測得每組晶閘管在同一時刻的導通壓降。當導通壓降下降5%時，晶閘管已經老化失效，記錄下此時的運行時間，采用威布爾分布與平均秩計算法的可靠性理論進行評估，得到每組晶閘管失效的平均時間。3組晶閘管失效的試驗條件與平均運行時間如表1所示。

依據前文所列的壽命評估模型，利用最小二乘法進行曲線擬合，計算出[m]、[n]，根據[m]、[n]得出AF，再結合晶閘管平均運行時間評估其使用壽命。

5 結語

本文分析總結晶閘管內部結構老化機理、外界及工作環境對晶閘管壽命的影響，提出了與晶閘管相關的壽命評估模型，并設計了一套切實可行的晶閘管壽命評估試驗方案，對研究晶閘管壽命評估及老化分析具有重要的參考價值。

參考文獻：

[1]梁寧，張志剛，劉翠翠，等.電磁脈沖環境下HVDC換流閥晶閘管的失效機理及壽命模型分析[J].電力電容器與無功補償，2019（2）：142-146.

[2]王鵬沖.功率IGBT模塊工況分析及其壽命預測方法研究[D].天津：河北工業大學，2016：32-35.

[3]王彥剛，CHAMUND D，李世平，等.功率IGBT模塊的壽命預測[J].機車電傳動，2013（2）：13-17.

[4]杜玉格，李凱，冉賢賢，等.高壓大容量耗能裝置晶閘管閥設計與試驗[J].電力電子技術，2021（10）：137-140.

[5]趙成勇，葉蘊霞，展瑞琦，等.電壓跌落影響換流閥晶閘管可靠關斷的機理研究[J/OL].中國電機工程學報，2021：1-13[2022-07-30].http：//doiorg/10.13334/j.0258-8013.pcsee.210910.

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