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电动汽车驱动 SiC器件 功率模块 ★ 4.0

功率模块机械表征综述:挑战、进展与未来展望

An Overview of Mechanical Characterization for Power Module: Challenges, Advances, and Future Prospects

作者 Peng Sun · Xiaofei Pan · Zheng Zeng · Yukai Huang · Yihua Hu · Mingrui Zou
期刊 IEEE Transactions on Power Electronics
出版日期 2024年11月
技术分类 电动汽车驱动
技术标签 SiC器件 功率模块
相关度评分 ★★★★ 4.0 / 5.0
关键词 功率模块 机械表征 可靠性评估 测量技术 未来研究方向
语言:

中文摘要

受半导体技术尤其是碳化硅技术进步的推动,人们已开发出众多封装设计以满足各种应用需求。在这些功率模块投放市场之前,必须对其可靠性进行全面评估。机械特性表征是评估功率模块可靠性的一项重要手段,因为它与功率模块故障直接相关。通常在亚微米尺度上的机械分布及其差异给测量带来了巨大挑战。因此,在不损害功率模块功能和完整性的前提下,实现对机械信息的准确采样仍是机械特性表征领域不懈追求的目标。本文全面综述了功率模块机械特性表征的现有先进方法,包括直接测量法和非接触测量法。分析了变形机制以及相关的测量挑战。对各种测量技术进行了系统比较,并指出了它们的优缺点。此外,还讨论了现有应用中机械数据的利用情况,并探讨了未来潜在的研究方向。本综述可为功率模块的未来发展和应用提供参考。

English Abstract

Driven by advancements in the semiconductor technology, especially silicon carbide, numerous packaging designs have been developed to meet demands of various applications. Prior to the market release, the reliability of these power modules must be comprehensively assessed. The mechanical characterization is an essential measure to assess the reliability of the power module due to its direct relation to the power module failure. The mechanical distribution and differences, typically on the submicron scale, pose significant measurement challenges. Therefore, achieving accurate sampling of the mechanical information without compromising the functionality and integrity of the power module remains a relentless pursuit in the mechanical characterization. In this article, a comprehensive review of state-of-the-art methodologies for the mechanical characterization of the power module is presented, including both direct and noncontact methods. The deformation mechanisms and associated measurement challenges are analyzed. Various measurement techniques are systematically compared and their advantages and disadvantages are highlighted. In addition, the utilization of the mechanical data in existing applications is discussed, and potential future research directions are discussed. This review may provide insights into the future development and deployment of the power module.
S

SunView 深度解读

功率模块作为光伏逆变器和储能变流器的核心部件,其可靠性直接影响系统的长期稳定运行和全生命周期成本。该论文聚焦功率模块机械特性表征技术,对阳光电源的产品开发和质量管控具有重要参考价值。

从业务视角看,随着碳化硅等第三代半导体在公司高功率密度逆变器产品中的广泛应用,功率模块封装面临更严峻的热机械应力挑战。论文系统梳理的直接测量和非接触测量方法,可为我们建立更精准的可靠性评估体系提供技术路径。特别是在亚微米尺度的机械应力分布测量方面,这些先进表征技术能够帮助我们在产品设计阶段就识别潜在失效风险,优化焊接层、基板和芯片互连结构,从而提升产品在沙漠、高原等极端环境下的耐久性。

对于储能系统而言,频繁的充放电循环对功率模块的热循环耐受性提出更高要求。论文中探讨的变形机制分析和机械数据应用方法,可指导我们开发更精确的寿命预测模型,实现从被动质检到主动预防性维护的转变,这对提升储能系统的可用率和降低运维成本意义重大。

技术挑战在于如何在不影响模块功能的前提下实现原位、无损的机械特性监测,这需要跨学科的测量技术突破。建议公司加强与高校和测试设备供应商的合作,将先进表征技术融入产品开发流程,同时探索基于机械数据的数字孪生技术,构建差异化的产品竞争力,巩固在全球新能源装备市场的领先地位。