電力模組功率循環測試之結構可靠度分析與評估

Analysis and Assessment of the Reliability Life of Power Module Structure under Power Cycling Test

洪端佑(TUAN-YU HUNG)

指導教授 ： 江國寧

國立清華大學/工學院/動力機械工程學系/博士(2013年)

摘要

逐漸短缺的資源與全球性對電力能源需求增加，促使人們必須更有效與環保的使用能源。電力模組是功率管理系統中的關鍵結構並廣泛應用於功率供應器、自動化控制、交通運輸、馬達控制、大樓電源控制以及再生能源。
在功率循環測試中，鋁導線與晶片間熱膨脹係數的不匹配可導致導線因疲勞破壞而脫離。本研究著眼於發展鋁導線可靠度評估方法。根據實際測試樣品建立三維有限單元模型，執行電熱耦合與熱固有限單元分析並分析鋁導線在循環功率下的力學行為。增加鋁線數目可改善電流聚集現象，減少鋁線周圍電流聚集現象所產生的焦耳熱可降低接面溫度。此結果暗示藉由打線設計，電力模組將被操作在更高功率上，同時提供相同等級的可靠度。模擬所得的預估溫度符合實驗結果。當模組承受低電流負載時無法觀察到等效塑性應變，然而，等效塑性應變與彈性應變/等效塑性應變總和的比例將隨著電流負載提升而上升。若模組承受高電流負載則必須考慮降伏效應，塑性應變甚至統御破壞機制。高週疲勞與低週疲勞理論應分別被包含在低電流負載與高電流負載的壽命預估模型。模擬結果與實驗進行驗證後，兩模型即可被提出並應用於電力模組設計。
由於具高對應溫度，潛變為焊錫主要的失效模式之一，尤其對於高電力模組。為了了解溫度曲線與電力模組可靠度的關係，將模組進行-40 °C/ 125 °C加速熱循環測試與分析、週期分別為66分鐘與30分鐘，在數個循環次數下量測焊錫裂紋長度。此外，為了確定初始裂紋壽命，將各循環次數下的平均裂紋長度進行外插。結果指出焊錫高度差異性明顯影響裂紋成長情形。有鑑於此，本研究聚焦焊錫高度介於150 ~ 300 μm範圍內以及焊錫高度超過300 μm，藉此將焊錫高度差異性的影響控制在最低的情況。結果指出焊錫高度介於150 ~ 300 μm範圍內其初始裂紋壽命與裂紋成長速率分別為73 cycles與 0.0068 mm/cycle的裂紋成長率(30分鐘循環週期)，焊錫高度超過300 μm則無裂紋產生。降低升降溫速率將導致更明顯的應力釋放現象，造成更多的不可回復潛變；較長的持溫時間將促進潛變行為。根據上述物理現象，置於較長循環週期的電力模組將得到較差的疲勞壽命。

關鍵字

電力模組 ； 功率循環測試 ； 導線脫離 ； 有限單元分析 ； 壽命預估模型 ； 高週疲勞 ； 低週疲勞 ； 潛變 ； 焊錫 ； 熱循環測試 ； 裂紋成長

參考文獻

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