器件可靠性虛擬仿真實驗平臺的創新人才培養模式

王彩琳， 張如亮， 封先鋒， 楊武華， 張 超， 楊 鶯

（1.西安理工大學自動化與信息工程學院，西安 710048；2.西安市電力電子器件與高效電能變換重點實驗室，西安 710048）

0 引 言

為了提高電力變換器的效率和可靠性，實現“節能降耗”和“雙碳”目標，對功率半導體器件的綜合性能及可靠性提出了更高的要求［1-2］。新器件及高端芯片的可靠性已成為我國“卡脖子”技術的關鍵，也是行業技術發展追逐的熱點［3-4］。根據發改高技〔2020〕1409 號文件精神，要加快基礎材料、關鍵芯片、高端元器件等核心技術攻關［5］。但是，在器件實際測試或使用過程中，過應力條件下的失效現象頻繁發生，企業亟需器件可靠性與失效分析方面的高層次技術人才［6］。以器件實物為基礎的傳統可靠性實驗，由于存在高成本、破壞性及微觀機理不可測等特殊性，需要采用一種新的實驗教學模式，即通過虛擬仿真來進行器件的可靠性預測與設計［7］，以克服實際測試中的諸多限制，同時也可以通過仿真分析器件失效機理，從而激發學生學習的積極性和主動性。

根據教育部2017 年推出的“新工科”計劃，新工科建設服務以新經濟發展，尋求我國在核心關鍵技術上的突破，主要任務是在技術、產業和模式上的創新以及創新人才培養模式［8-9］。以工程教育新理念、新模式、新方法、新內容等作為高校新工科建設和教育改革的基本內容，培養滿足新經濟和產業所需的新型工程技術人才［10-11］。虛擬仿真實驗教學基于虛擬仿真技術，可虛擬實現高危險性、高破壞性、爆炸性或不可測等實驗場景或現象，是教育部高教司重點推進的實踐課程改革創新模式［12-15］。鑒于功率器件可靠性理論與實踐教學的重要性和可靠性測試的特殊性，為了解決傳統理論和實驗教學與培養學生實踐能力之間的矛盾，提高實驗教學的質量與效果，降低實驗成本，采用專業仿真軟件、多媒體和網絡通信技術，構建了器件可靠性虛擬仿真實驗教學平臺，培養學生實踐與創新能力，以滿足新工科教育及企業對創新人才的高要求。

1 虛擬仿真平臺的建設理念與內容

器件可靠性虛擬仿真實驗平臺以“學科交叉融合、教學與科研協同、學校與企業聯合、優質資源共享”為建設理念，依托西安市電力電子器件與高效電能變換重點實驗室與西安理工大學電子、電氣學科特色及西安芯派電子科技有限公司的資源優勢，將理論教學與實踐教學緊密結合，構建的器件可靠性實驗內容包括動態雪崩效應、閂鎖效應、短路、靜電放電等物理效應，以及過電流和過高di／dt、過電壓和過高du／dt、過熱和低溫等條件對器件可靠性和性能的影響等，如圖1 所示。

圖1 器件可靠性虛擬仿真平臺的建設理念及內容

在虛擬實驗教學中，遵循“以工程訓練為基礎、提高能力為重點、培養創新意識為核心”的原則，堅持以人為本，“知識、能力、素質”全面協調發展，“學習、實踐、創新”三大能力相互促進的教學理念，采用“虛實結合、理實交融、相互補充”的實驗教學模式，按照“動態雪崩、閂鎖效應、短路、靜電放電、過應力失效”五個模塊建設，將器件模擬測試、仿真設計及失效分析等實踐內容相結合，多學科知識交叉融合，實現資源共享。通過全過程訓練，培養學生的實踐與創新能力。

2 虛擬仿真實驗平臺的搭建與實施

2.1 系統架構

圖2 為虛擬仿真實驗平臺系統架構，從下到上依次為數據層、支撐層、通用服務層、仿真層及應用層。各層功能如下：

圖2 虛擬仿真實驗平臺系統架構圖

（1）數據層。該層包括用戶信息、課程庫、實驗案例庫、基礎元件庫、實驗操作規則庫、實驗問題答案庫和實驗數據庫等信息。將實驗過程中的電路參數、器件結構參數和用戶信息等進行保存。

（2）支撐層。該層是虛擬仿真實驗平臺的核心框架，提供實驗項目正常運行的基礎，負責整個基礎系統運行、維護和管理，主要包括安全管理、數據管理、服務管理、資源管理等子功能系統。

（3）通用服務層。該層為第三方虛擬仿真平臺，提供虛擬實驗教學的通用支持組件，以便用戶可以快速在平臺完成實驗。通用服務主要包括實驗項目管理、實驗報告提交與批改管理、實驗教學管理和數據接口等。

（4）仿真層。該層主要是針對虛擬實驗項目中的器件可靠性設計及失效機理分析驗證進行模擬。

（5）應用層。實驗教師可以根據教學需求，利用服務層提供的工具和仿真層提供的相應模型，設計各種不同實驗內容。

2.2 布局與操作流程

圖3 為虛擬仿真平臺的布局。利用先進的控制策略將服務器硬件、軟件進行集成，實現實驗者、設備、軟件之間的智能通信與協同。先通過實驗現場視頻熟悉真實的器件可靠性測試環境與測試設備，然后選擇進入各虛擬仿真實驗室，了解具體測試電路、方法與條件，接著在專用軟件平臺中建立器件結構模型，并選擇相應的物理模型，進行仿真分析、設計與優化、失效機理分析等工作，從而完成不同器件的各類虛擬實驗。各部分內容介紹如下：

圖3 虛擬仿真平臺的布局分布

（1）測試環境。利用合作企業的測試設備，對器件的可靠性參數，如雪崩耐量、閂鎖電流、短路電流、ESD通過電壓等進行測試。

（2）測試電路與條件。針對不同類型和電壓等級的器件及其可靠性參數測試，確定相應的測試電路和具體測試條件。

（3）仿真訓練。根據器件電壓等級建立相應的結構模型，選取相應的物理模型進行仿真；通過改變測試條件，分析不同的測試條件對可靠性參數的影響及其變化趨勢。

（4）器件結構優化。分析影響可靠性參數（如雪崩耐量）的關鍵結構參數或工藝參數，然后改變這些參數，通過仿真分析，確定最優化的參數范圍。

（5）失效機理分析。通過分析過電壓、過高du／dt、過電流、過高di／dt、高溫或低溫下器件內部的電場強度分布、電流密度分布及載流子的運動軌跡等，了解器件內部的物理效應及失效機理。

圖4 為虛擬仿真平臺引導視頻流程。根據該流程，實驗者可以熟悉每個實驗的目的、內容、方法、步驟、注意事項及基本要求；教師可根據實驗者完成情況進行成績評定。

圖4 虛擬仿真實驗室引導視頻流程

圖5 為虛擬實驗項目操作流程，包括各仿真實驗介紹、實驗者注冊與登錄信息、仿真實驗模塊選擇、仿真實驗操作、實驗數據分析報告及實驗教學課程評價。

圖5 實驗項目操作流程

2.3 虛擬仿真實驗平臺的特色與作用

器件可靠性虛擬仿真實驗平臺可以為不同層次實驗者的工程實訓提供有針對性的菜單式選擇項目和充分的獨立實踐與學習條件，增強其參與實踐和創新訓練的積極性和主動性，提升深入思考和學習的能力。在由實驗模塊、模擬軟件、繪圖工具和參考資料等構成虛擬實驗與引導模擬實驗的交互環境下，通過改變不同實驗器件、測試條件、結構參數、應力類型等來完成不同的可靠性仿真與失效分析實驗。

（1）滿足不同層次實驗者的需求。實驗模塊①、②針對本科三年級學生設置，在學習相關理論課及實踐課的基礎上，進行器件可靠性測試方面的訓練，培養學生應用知識的能力；實驗模塊③、④針對本科四年級學生進行畢業設計，研究某器件的可靠性問題，培養學生分析問題的能力。實驗模塊⑤針對碩士生進行課題研究，提出解決問題的方案，培養學生分析及解決問題的能力及科研素質。此外，企業技術人員可以利用該平臺，深入理解各類器件可靠性與失效物理等方面的相關知識，提高理論水平，能夠對工程應用中出現的器件可靠性問題提出解決方案。

（2）研究不同器件在不同條件下的可靠性。比如，動態雪崩實驗，用來研究功率二極管、功率雙極晶體管、功率MOSFET、IGBT及IGCT等器件在關斷過程中的可靠性；閂鎖效應實驗，用來研究IGBT和晶閘管開關過程的可靠性；短路實驗，用來研究功率雙極晶體管和IGBT 抗短路的能力；靜電放電實驗，適合所有MOS型器件的靜電放電靈敏度及通過電壓測試；過應力失效實驗，可研究所有器件在過應力條件下的失效機理。通過研究不同器件的同類可靠性仿真實驗，有助于加深學生對功率器件可靠性問題的理解，找出影響各器件可靠性的關鍵結構參數和因素，從而更好地預測、設計器件的可靠性，并提出改進措施，有利于提高其實踐和創新能力。圖6 所示為基于該器件可靠性虛擬平臺開展的功率MOSFET 動態雪崩耐量測試與仿真分析。

圖6 功率MOS動態雪崩耐量虛擬仿真實驗

（3）對器件進行全方位的研究。將虛擬實驗教學與科學研究相結合，針對不同電壓等級或不同結構的IGBT，在不同工作狀態下的動態雪崩、閂鎖效應、短路、靜電放電，以及各種過應力條件下的失效機理等開展研究，對提高IGBT的可靠性有重要的實用價值，對培養高層次的專業創新人才有重要的支撐作用。

（4）培養學生的科研素質和科學精神。以企業產業需求為導向，設置進階的實驗模塊及內容，不僅可以提升學生學業挑戰度，增加課程難度和深度，提高課程質量；同時體現課程多維的思政元素，引導學生主動思考、刻苦鉆研、探索未知、追求真理，激發科技報國的家國情懷和使命擔當。在可靠性與失效分析全過程訓練中做好立德樹人。

3 結 語

本文依托校企資源優勢，采用先進的建設理念和實驗教學模式，構建具有經濟性、安全性及生動直觀等特點的功率器件可靠性虛擬仿真實驗平臺，可完成“動態雪崩、閂鎖效應、短路、靜電放電、過應力失效”五個虛擬實驗，將模擬測試、仿真設計及失效分析等內容相結合，多學科知識交叉融合，實現資源共享。通過器件可靠性虛擬仿真實驗平臺的實施，使不同層次的學生對功率器件的可靠性與失效機理有更深入地理解，提高了本科生分析和解決實際問題的能力和實踐能力，培養了研究生的創新能力和科研素質，從而滿足新工科建設背景下、專業認證、學科評估以及企業對專業人才的知識、能力及素質等方面的高要求，為行業創新人才培養做出了積極貢獻。