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유효 전력 사이클링을 이용한 전력 모듈의 실제 수명 예측


개요

전력 전자 모듈과 전력 패키지 설계는 열 문제에 크게 영향을 받습니다.

해당 모듈의 열 저항을 낮추기 위해 새로운 기판 소재와 더 얇고 높은 열 전도율의 부착 소재가 사용됩니다.

새 소재나 기술을 적용할 때는 모듈의 생산을 고려하기 전에 철저한 신뢰성 시험을 거쳐야 합니다.

모듈의 안정성이나 예상 수명은 시스템이 견딜 수 있는 온도 또는 전력 사이클 수로 나타낼 수 있습니다. 하지만 이는 전력 모듈이 실제 적용 환경과 예상 수명이 연관될 경우 좀 더 정확하며, 전력 모듈 설계가 신뢰성과 가격, 무게, 부피 등의 요소들 간 절충에 따른 적용 환경에 따라 결정되므로 이러한 요소들을 최소화하면서 적용 환경을 고려한 높은 수준의 신뢰성을 가진 필요 수명 보장이 목적이 되어야 합니다.

이 백서에서는 설계자가 부품의 적용 환경을 고려하면서 전력 모듈의 예상 수명을 예측하는 데 유효 전력 사이클링 측정법이 어떻게 도움이 되는지에 대해 설명합니다. 관련 개별 단계가 요약되어 있습니다.

서론

IGBT 또는 MOSFET 등의 전력 전자 모듈이 자동차, 철도 견인, 발전 및 변전 등의 응용 부문에서 점점 더 광범위하게 사용되고 있습니다. 이 응용 부문에서 이러한 패키지의 가장 중요한 설계 요구 사항은 고장 수명입니다. 높은 신뢰성과 안전을 중요시하는 전력 전자 모듈 적용에는 모듈의 적용과 적용 환경이 장시간 지속되는 것을 요구합니다.

고장의 주요 요인은 다양한 소재의 서로 다른 열 팽창 계수로 인해 구조 내에서 발생하는 열-기계적 응력입니다. 이러한 응력은 모듈 내 온도 변화에 의해 유도되며, 온도 변화는 장치가 노출되어 있는 가변 전력 프로필로 인해 발생합니다. 전력 모듈의 다양한 부품 내 온도 변화와 변화 비율 변동은 주요한 고장 메커니즘의 가속화 요인들입니다. 여기에는 기초판 납땜의 균열 같은 열 전도 경로의 열화와 결합선의 열화가 포함됩니다. 열적 유도 고장을 최소화하는 가장 쉬운 방법은 패키지의 열 저항을 최소화하여 작동 중 접점 온도 이상을 제한하는 것입니다. 모듈의 열 저항은 열 과도 테스트를 통해 평가할 수 있습니다. 이 테스트를 통해 패키지에 대한 총 열 저항뿐만 아니라, 다이에서 기초판까지 열이 전달될 때 확산되는 저항을 포함하여 구성 부품의 부분 열 저항도 확인할 수 있습니다.

가속화 테스트 전략

전력 모듈에 대해 일반적으로 사용하는 두 가지 수명 테스트는 온도 사이클링과 유효 전력 사이클링입니다. 두 테스트 방법 모두 장치 온도를 주기적으로 변경하여 열 부하를 발생시키지만 기본적으로는 다릅니다. 온도 사이클링에서는 장치에 전원이 공급되지 않습니다. 온도 변화는 오븐과 같은 온도 조절 환경에 부품을 놓고 부품을 가열했다가 냉각하는 방식으로 이루어집니다. 따라서 가열이 외부적으로 적용됩니다. 가열 및 냉각 속도가 매우 느린(몇 분 소요) 편이므로 부품 내 온도가 가열 및 냉각 시 아주 균일하게 유지됩니다. 온도 사이클링은 구리 직접 접합(Direct Bonded Copper, DBC) 기판과 모듈의 기초판 사이 납땜 접합부를 평가하는 데 주로 사용됩니다.