本系列博客文章的第二篇，我們將進一步探討足以左右電源模塊可靠性和性能的各種現(xiàn)實挑戰(zhàn)。

在早前Flex Power Modules的一篇博客文章中，我們探討了電源模塊平均故障間隔時間（MTBF）計算值的可靠性。我們當(dāng)時的結(jié)論是，只有在完全相同、靜態(tài)的條件下比較產(chǎn)品時，數(shù)據(jù)表上的數(shù)值才有意義。即便是加速測試，也很少能真實反映實際應(yīng)用場景。現(xiàn)場退貨率的差異過大，也無法作為普適參考指標。我們也曾指出，由于老化導(dǎo)致使用壽命有限，并不等同于在使用期內(nèi)的可靠性很差。

在實際應(yīng)用中，只要運行環(huán)境穩(wěn)定，即使在高溫條件下，來自可信制造商的電源電子模塊通常也非?？煽?。許多模塊在進行加速可靠性測試時，常常在整個測試周期中都未出現(xiàn)任何故障。在這種情況下，行業(yè)中通行的方法是，假設(shè)模塊即將出現(xiàn)故障，從而至少可以計算并標示出一個保守的最小MTBF值。

故障仍會發(fā)生

然而，電源模塊仍然會發(fā)生故障，而且?guī)缀蹩偸怯捎趷毫拥沫h(huán)境條件造成，這些環(huán)境條件可能包括沖擊、震動、電氣瞬態(tài)和靜電放電（ESD）等。但在像數(shù)據(jù)中心這種專業(yè)的應(yīng)用環(huán)境中，這些影響往往能夠被識別并加以控制。但是有一種影響是難以避免的，那就是溫度波動，它會導(dǎo)致模塊內(nèi)部以及其接點之間材料的不均勻膨脹和收縮，并可能引發(fā)冷凝和腐蝕。這些溫度波動可能由環(huán)境溫度變化引起，但更常見的原因是設(shè)備自身發(fā)熱與負載突變后的冷卻?，F(xiàn)代電源轉(zhuǎn)換器設(shè)計效率雖高，但用戶通常也會利用這一優(yōu)勢，從更小體積的模塊中獲取更多功率，因此負載突變所引起的能耗變化和內(nèi)部溫度波動仍然可能很大。

然而通過盡可能將處理器切換至“空閑”模式以降低平均功耗并沒有改善這種情況。盡管這種方法有效，但也帶來了額外的復(fù)雜性。從近乎零負載驟然上升到數(shù)百安培再快速回落，不僅對電源模塊維持輸出電壓提出了挑戰(zhàn)，也會造成內(nèi)部快速的溫度波動，進而形成長期的機械應(yīng)力和潛在損傷。

CTE不匹配是固有問題

如果電源模塊內(nèi)部從其連接主板再到散熱器路徑上的所有材料都是均質(zhì)的，溫度波動造成的應(yīng)力將非常有限。然而現(xiàn)實中，典型模塊的熱路徑中包含多種材料，如硅、銅、陶瓷、玻璃纖維、鋁、焊料等，內(nèi)部元件周圍甚至可能還包有封裝材料，產(chǎn)生擠壓或拉伸。這些材料的熱膨脹系數(shù)（CTE）各不相同。CTE即材料線性尺寸隨溫度變化而變化的比率，單位通常為μm/m·K。例如，鋁的CTE大約是23 μm/m·K，而硅晶片大約只有3 μm/m·K。在溫度變化達到100°C（這是功率半導(dǎo)體中常見的情況）時，鋁的焊接區(qū)域會比下方的硅晶片膨脹約八倍。以1 毫米長度為例，鋁的膨脹約為2.3 微米，而硅只有0.3 微米。

最新的DC/DC模塊功率開關(guān)器件通常采用寬禁帶材料，如碳化硅或氮化鎵。雖然它們的CTE比硅略高（分別約為4和5），但與常用接口材料的匹配程度更高。對于高功率密度的DC/DC轉(zhuǎn)換器來說，如今這些開關(guān)器件幾乎都采用球柵陣列（BGA）或面柵陣列（LGA）封裝，取代了傳統(tǒng)的引腳式封裝。過去的引腳式設(shè)計在一些CTE差異較大的界面上（例如從引線框架經(jīng)由焊點至銅走線）還具備一定的機械應(yīng)力緩沖作用。而如今的新型封裝結(jié)構(gòu)在緊湊性和性能上更優(yōu)，但在從主板到芯片本體，再到可能存在的頂部散熱結(jié)構(gòu)的多層材料堆疊中，各種材料間存在的CTE不匹配可能會引發(fā)問題，例如微裂紋，甚至結(jié)構(gòu)脫層或焊點脫落等現(xiàn)象。

已封裝功率半導(dǎo)體及其多種材料CTE系數(shù)示意圖

AL ALLOY BOND WIRE CTE：鋁合金鍵合線CTE

ENCAPSULANT CTE：封裝劑CTE

Ni PLATING CTE：電鍍鎳CTE

AL ALLOY METALIZATION CTE：鋁合金金屬化CTE

DIE (Silicon) CTE：芯片（硅）CTE

LEADFRAME CTE：引線框架CTE

SOLDER CTE：焊料CTE

FR4 CTE：FR4 CTE

COPPER CTE：銅CTE

理想的可靠性測試法

傳統(tǒng)上，設(shè)備或模塊的壽命測試是在恒定溫度下進行，或在可控環(huán)境中進行重復(fù)溫度循環(huán)，溫升/降速率通常約為每分鐘15°C。熱沖擊測試則更嚴苛，速率可以達到每分鐘40°C。這些測試方法是第三方認證機構(gòu)的標準流程，但若想獲得更貼近實際使用情況的測試結(jié)果，最好直接模擬最終應(yīng)用場景。例如在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用場景中，環(huán)境溫度通常保持穩(wěn)定，而負載則按照既定的模式、斜率及重復(fù)周期波動。由此產(chǎn)生的熱應(yīng)力，與在固定負載條件下因環(huán)境溫度變化所引發(fā)的應(yīng)力效應(yīng)存在顯著差異。

Flex Power Modules設(shè)計其電源模塊時，致力于將CTE不匹配相關(guān)問題造成的影響降至最低，并基于典型市場使用條件進行熱測試。但我們也會與客戶密切合作，模擬具體應(yīng)用環(huán)境，從而實現(xiàn)更加準確、可信且適用于現(xiàn)實的可靠性評估。