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實挑戰。

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。我們當時的結論是，只有在完全相同、靜態的條件下比較產品時，數據表上的數值才有意義。即便是加速測試，也很少能真實反映實際應用場景。現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，由于老化導致使用壽命有限，并不等同于在使用期內的可靠性很差。

在實際應用中，只要運行環境穩定，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常可靠。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任何故障。在這種情況下，行業中通行的方法是，假設模塊即將出現故障，從而至少可以計算并標示出一個保守的最小MTBF值。

故障仍會發生

然而，電源模塊仍然會發生故障，而且幾乎總是由于惡劣的環境條件造成，這些環境條件可能包括沖擊、震動、電氣瞬態和靜電放電（ESD）等。但在像數據中心這種專業的應用環境中，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，它會導致模塊內部以及其接點之間材料的不均勻膨脹和收縮，并可能引發冷凝和腐蝕。這些溫度波動可能由環境溫度變化引起，但更常見的原因是設備自身發熱與負載突變后的冷卻。現代電源轉換器設計效率雖高，但用戶通常也會利用這一優勢，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雜性。從近乎零負載驟然上升到數百安培再快速回落，不僅對電源模塊維持輸出電壓提出了挑戰，也會造成內部快速的溫度波動，進而形成長期的機械應力和潛在損傷。

CTE不匹配是固有問題

如果電源模塊內部從其連接主板再到散熱器路徑上的所有材料都是均質的，溫度波動造成的應力將非常有限。然而現實中，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，內部元件周圍甚至可能還包有封裝材料，產生擠壓或拉伸。這些材料的熱膨脹系數（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（這是功率半導體中常見的情況）時，鋁的焊接區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轉換器來說，如今這些開關器件幾乎都采用球柵陣列（BGA）或面柵陣列（LGA）封裝，取代了傳統的引腳式封裝。過去的引腳式設計在一些CTE差異較大的界面上（例如從引線框架經由焊點至銅走線）還具備一定的機械應力緩沖作用。而如今的新型封裝結構在緊湊性和性能上更優，但在從主板到芯片本體，再到可能存在的頂部散熱結構的多層材料堆疊中，各種材料間存在的CTE不匹配可能會引發問題，例如微裂紋，甚至結構脫層或焊點脫落等現象。

已封裝功率半導體及其多種材料CTE系數示意圖

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

傳統上，設備或模塊的壽命測試是在恒定溫度下進行，或在可控環境中進行重復溫度循環，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的標準流程，但若想獲得更貼近實際使用情況的測試結果，最好直接模擬最終應用場景。例如在數據中心的應用場景中，環境溫度通常保持穩定，而負載則按照既定的模式、斜率及重復周期波動。由此產生的熱應力，與在固定負載條件下因環境溫度變化所引發的應力效應存在顯著差異。

Flex Power Modules設計其電源模塊時，致力于將CTE不匹配相關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，模擬具體應用環境，從而實現更加準確、可信且適用于現實的可靠性評估。