本系列博客文章的第二篇，我們將進(jìn)一步探討足以左右電源模塊可靠性和性能的各種現(xiàn)實(shí)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(shí)間（MTBF）計(jì)算值的可靠性。我們當(dāng)時(shí)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(shí)，數(shù)據(jù)表上的數(shù)值才有意義。即便是加速測(cè)試，也很少能真實(shí)反映實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景?，F(xiàn)場(chǎng)退貨率的差異過(guò)大，也無(wú)法作為普適參考指標(biāo)。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(shí)際應(yīng)用中，只要運(yùn)行環(huán)境穩(wěn)定，即使在高溫條件下，來(lái)自可信制造商的電源電子模塊通常也非常可靠。許多模塊在進(jìn)行加速可靠性測(cè)試時(shí)，常常在整個(gè)測(cè)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(jì)算并標(biāo)示出一個(gè)保守的最小MTBF值。

故障仍會(huì)發(fā)生

然而，電源模塊仍然會(huì)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(dòng)、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(shí)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(dòng)，它會(huì)導(dǎo)致模塊內(nèi)部以及其接點(diǎn)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(dòng)可能由環(huán)境溫度變化引起，但更常見(jiàn)的原因是設(shè)備自身發(fā)熱與負(fù)載突變后的冷卻。現(xiàn)代電源轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)效率雖高，但用戶通常也會(huì)利用這一優(yōu)勢(shì)，從更小體積的模塊中獲取更多功率，因此負(fù)載突變所引起的能耗變化和內(nèi)部溫度波動(dòng)仍然可能很大。

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

CTE不匹配是固有問(wèn)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(dòng)造成的應(yīng)力將非常有限。然而現(xiàn)實(shí)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?chē)踔量赡苓€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(dá)到100°C（這是功率半導(dǎo)體中常見(jiàn)的情況）時(shí)，鋁的焊接區(qū)域會(huì)比下方的硅晶片膨脹約八倍。以1 毫米長(zhǎng)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(kāi)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(duì)于高功率密度的DC/DC轉(zhuǎn)換器來(lái)說(shuō)，如今這些開(kāi)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(guò)去的引腳式設(shè)計(jì)在一些CTE差異較大的界面上（例如從引線框架經(jīng)由焊點(diǎn)至銅走線）還具備一定的機(jī)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(huì)引發(fā)問(wèn)題，例如微裂紋，甚至結(jié)構(gòu)脫層或焊點(diǎn)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(cè)試法

傳統(tǒng)上，設(shè)備或模塊的壽命測(cè)試是在恒定溫度下進(jìn)行，或在可控環(huán)境中進(jìn)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(cè)試則更嚴(yán)苛，速率可以達(dá)到每分鐘40°C。這些測(cè)試方法是第三方認(rèn)證機(jī)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)流程，但若想獲得更貼近實(shí)際使用情況的測(cè)試結(jié)果，最好直接模擬最終應(yīng)用場(chǎng)景。例如在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用場(chǎng)景中，環(huán)境溫度通常保持穩(wěn)定，而負(fù)載則按照既定的模式、斜率及重復(fù)周期波動(dòng)。由此產(chǎn)生的熱應(yīng)力，與在固定負(fù)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(jì)其電源模塊時(shí)，致力于將CTE不匹配相關(guān)問(wèn)題造成的影響降至最低，并基于典型市場(chǎng)使用條件進(jìn)行熱測(cè)試。但我們也會(huì)與客戶密切合作，模擬具體應(yīng)用環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)更加準(zhǔn)確、可信且適用于現(xiàn)實(shí)的可靠性評(píng)估。