Por qué los módulos de potencia pueden fallar en el mundo real

La discrepancia en la CTE es un problema inherente.

Si todos los materiales dentro de un módulo de potencia —desde sus conexiones hasta la placa de circuito impreso y el disipador de calor— fueran homogéneos, las fluctuaciones de temperatura generarían poca tensión. Sin embargo, en la realidad, los materiales en la trayectoria térmica de un módulo típico incluyen una mezcla de materiales como silicio, cobre, cerámica, fibra de vidrio, aluminio, soldadura y otros. Puede haber un encapsulante alrededor de los componentes internos, que ejerce presión y tensión. Todos los materiales tienen diferentes coeficientes de expansión térmica (CTE), que es la relación en la que la dimensión lineal de un material cambia con la temperatura, generalmente expresado en micrómetros por metro por grado Kelvin (µm/mK). El aluminio, por ejemplo, tiene un CTE de aproximadamente 23 µm/m·K, mientras que, en el otro extremo, un chip de silicio tiene un valor de aproximadamente 3. Por ejemplo, con un cambio de temperatura de 100 °C —un escenario realista para un semiconductor de potencia— el área de unión del cable de aluminio se expande aproximadamente ocho veces más que el chip de silicio que se encuentra debajo. Esto equivale a un cambio dimensional de aproximadamente 2,3 µm en comparación con solo 0,3 µm en una longitud de 1 mm.

Los interruptores de potencia de los módulos CC/CC más recientes suelen ser de carburo de silicio o nitruro de galio de banda prohibida ancha. Si bien sus coeficientes de dilatación térmica (CTE) son más altos que los del silicio, alrededor de 4 y 5 respectivamente, al menos su valor se acerca más al de los materiales con los que suelen interactuar.

En los convertidores CC/CC de alta densidad de potencia, estos interruptores ahora utilizan casi exclusivamente encapsulados de rejilla de bolas o de contactos, en lugar de los tipos tradicionales con terminales, que antes ofrecían cierto alivio de la tensión mecánica en una de las mayores diferencias de coeficiente de dilatación térmica (CTE), desde el marco de conexión hasta la soldadura y las pistas de cobre. A través de la pila de materiales, desde la placa base hasta el chip y posiblemente hasta la refrigeración superior, las múltiples diferencias de CTE en un módulo de alimentación pueden causar problemas, como microfisuras o incluso desprendimiento.

Imagen: Ejemplo de un semiconductor de potencia montado y sus múltiples elementos de transición de fase (CTE) de materiales.

Una prueba de fiabilidad óptima

Tradicionalmente, los equipos o módulos se han sometido a pruebas de vida útil a temperaturas constantes o con cambios controlados y repetidos de temperatura ambiente, generalmente a velocidades de rampa de alrededor de 15 °C por minuto. Las pruebas de choque térmico van más allá, alcanzando a menudo alrededor de 40 °C por minuto. Si bien estas pruebas son estándar para las agencias independientes, un enfoque más realista consiste en simular el entorno real de uso final. En las aplicaciones de centros de datos, por ejemplo, las temperaturas ambiente tienden a mantenerse estables, mientras que los niveles de carga fluctúan con patrones, velocidades de rampa y repeticiones definidos. Es evidente que los efectos del estrés térmico derivados de este enfoque serían muy diferentes de los causados por una carga fija y una temperatura ambiente variable.

Flex Power Modules diseña sus módulos de potencia para minimizar los problemas relacionados con la incompatibilidad del coeficiente de expansión térmica (CTE) y realiza pruebas térmicas basadas en las condiciones típicas del mercado. Además, colaboramos estrechamente con nuestros clientes para simular sus entornos de aplicación específicos, lo que permite una evaluación de fiabilidad más precisa y fiable en condiciones reales.