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功率系统设计 POWER SYSTEM DESIGN CHINA 2014 年 5/6 月
上，热负载通过这一外部
板从基板均匀地引导至系
统焊料。对基板均匀施加
的温度循环从 T
c_min
=25℃
开始，以
∆
Tc=80K 为梯度，逐渐升高至 T
c_max
=105℃。
该装置可冷却至 T
c_min
=25℃。完整循环时间约为 t
cyc
=6
分钟。若电气参数和结与元件外壳之间的热传导性能保
持在试验规范的限值之内，则证明功率元件通过了试
验。芯片和 DCB 焊料层的 SAM 图像如图 9 所示。第一
批 SAM 图像显示的是循环次数为 N
cyc
=0 次时的初始状
态；每经过 N
cyc
=5000 次循环便读取一次，最后显示的
是循环次数达到 N
cyc
=40000 次的图像。此检查涵盖焊
料层、芯片和 DCB，但重点在于改进型 DCB 焊接层的
分层。
DCB 焊接层的分层从 DCB 边缘开始。但是，在循环
次数为 N
cyc
=25000 次之前，分层并未达到芯片。25000
次循环后，分层才到达芯片的边缘——甚至在 30000 次
循环之后，芯片下的分层面积仍可忽略不计。分层面积随
着循环次数的增加而增大。40000 次循环后的结果检查
显示，系统焊料和芯片焊料层的分层面积总和会对结与外
壳之间的热传导性能产生影响。基于试验规范，分层面
积总和达到了元件的 EOL。模块达到其 EOL 时，试验停
止。最终，原型通过了循环次数达到 N
cyc
= 30000 次的被
动热循环试验。此外，研究了 30000 次循环后的结壳热
阻 R
thjc
，目的是确定芯片区域下方分层的影响。结果非常
好，所有值均在规定限值之内。
由于温度均匀地引导至整个基板区域，被动 TC 的
热机械应力水平高
于主动 TC（主动 TC
与 PC 试验具有可比
性，但仅限于分钟级
的循环时间下），因
为在主动TC下温度
是局部的在芯片周
围进行升高。标准
工业 EconoDUAL™
3 的主动热循环性能为 T
c_min
= 25℃ 时 N
cyc
= 12000 次，
∆
Tc=80K，如图 10 所示
[9]
。
如图所示，带有改进的系统焊接的模块被动 TC 可靠
性具有明显提升。
对于改进的功率模块，作为第一个保守假设，在
N
cyc
=30000 次，
∆
T
case
=80K 时的第一个 TC 循环改进结果用
于线性近似，从而可与图 10 中给出的标准 DCB 焊接在完
整的
∆
T
case
范围内进行对比，以此进行寿命估算和对比。
在实现新焊料接合技术后，英飞凌将发布一个最终
的延长热循环（TC）规范。
寿命估算
运行逆变器的要求为 15 年内 60,000 小时，即约等
于每天运行 11 小时。此运行时间内的车辆行驶距离为
1,000,000 公里
[1]
。
为获得如图 1 所示的逆变器的实际寿命估算，以下
寿命估算基于串联式混合动力客车实际应用中采集的的负
图8：TST 循环次数达到以下值
时的 DCB 原型焊接 SAM 图像：
N
cyc
=1000 和 N
cyc
= 2000 次。
图10：标准 EconoDUAL
TM
3 模块的热循环性能
图11：基于逆变器运行条件下的一个循环所计算的温度
图9：TST 循环次数达到
以下值时的 DCB 原型
焊接 SAM 图像：N
cyc
= 0
次，每隔 N
cyc
= 5000 次，
N
cyc
= 40000 次