张俊，程佳，林子群，徐延伸

（华润微电子有限公司重庆市重点实验室，重庆 400060）

1 引言

二极管具有正向导通、反向截止的特性，广泛应用于电力电能转换中，作为电力转换的关键器件，21世纪以来其技术开发与实际应用取得了较大的进步[1]。随着国家低碳战略规划的部署和实施，近年来风力发电、太阳能光伏发电等绿色新能源技术的开发与应用得到迅猛的发展，促进了光伏组件用二极管的技术进步和应用发展，随之而来的应用可靠性需求也愈加迫切。

光伏组件主要部署在西北地区，这一地理位置具有纬度高、日照强、日照时间较长等优势，但也使得光伏组件需长期承受高温、昼夜温差大、风沙大等恶劣环境的影响，对器件的长期应用可靠性提出了挑战。

目前，行业内针对光伏组件用二极管（简称光伏二极管）的可靠性评价均没有考虑实际工作应力作用时间的分布情况，忽视了相应工作应力引起的失效和作用时间的关系。为此，本文提出利用工作寿命周期内器件工作应力分布的权重建立工作寿命周期可靠性模型，结合加速应力试验和相应的可靠性评价完成光伏二极管实际工作应力下的应用可靠性评价。

2 应用可靠性评价模型与试验方案

2.1 光伏二极管应用环境影响分析

光伏二极管是一种利用PN 结正向导通、反向截止的原理，结合半导体工艺（光刻、镀膜、扩散等）制成的一种电子器件，一般采用塑料封装工艺进行表面贴装封装或者直插封装，具有耐高温、反向击穿电压高、转换频率高等特点。光伏二极管一般主要起到防反和旁通的作用，能够实现单向高效蓄能的目的，大规模太阳能光伏组件中一般采用如图1 所示的电路实现预定功能[2]。

图1 光伏组件中的二极管电气连接

白天太阳光照时，太阳能电板发生光电效应，产生的电流通过防反二极管向蓄电池充电。为了防止个别太阳能电板失效或故障时无法单向充电反而转为负载，每个太阳能电板均并联一个旁路二极管，以保证充电的可靠性与效率。晚上没有光照时，太阳能电板不工作，旁路二极管不工作，防反二极管保证蓄电池不放电。

2.2 工作周期应力分布权重分析

西北地区春夏时节空气相对湿润，此时二极管白天承受的主要应力有高温应力、高湿应力、电应力，晚上承受低温应力；秋冬时节比较干燥，相对湿度低，在此阶段器件白天承受的主要应力有高温应力、电应力，晚上承受低温应力。总体上白天温度高，晚上温度低，因此器件全年都要承受温度循环应力。另外，通过近10 年来对器件试验失效数据的统计，没有发现低温储存试验引起的失效案例，因此低温储存应力暂且忽略。

因此，以间断周期（1 年，定为365 天）进行主要工作应力分布分析。由以上分析可知，主要的组合应力有3 类：高温应力、高湿应力、电应力综合作用；高温应力、电应力综合作用；温度循环应力作用。在间断周期内，高温应力、高湿应力、电应力组合作用在间断周期内的占比为1/4，作用时长为365/4 天；高温应力、电应力组合作用在间断周期内的占比为1/4，作用时长为365/4 天；温度循环应力作用在间断周期内的占比为1，作用时长为365 天。

由于工作寿命周期由无数间断周期构成，由此推断以上3 组应力在工作寿命周期的作用时间占比分别为1/4、1/4 和1，即权重因子a1=1/4，a2=1/4，a3=1。

2.3 包含应力分布权重因子的可靠性模型建立

二极管装联到光伏组件后，在整个工作寿命周期内会历经高温应力、高湿应力、电应力、温度循环应力等工作应力作用。高温应力+高湿应力+电应力、高温应力+电应力2 类组合应力因为存在季节性交替，因此无互相耦合作用。温度循环应力是在大尺度时间（24 h/cycle）内作用，瞬时温度变化率相对较低，因此在较短时间间隔内温度循环应力非常小，对其他2 类组合应力的耦合作用也可忽略，因此也可认为温度循环应力相对独立。

以上3 类组合应力均能使器件在长期使用过程中受到影响，造成器件失效，而作用模式相对独立，因此匹配风险竞争失效理论，其可靠性模型符合串联模型。假设二极管的可靠性由3 组应力作用模块组成，SDF 为高温应力、高湿应力、电应力作用的模块，作用时间的工作寿命周期占比为1/4，GDF 为高温应力、电应力作用的模块，作用时间的工作寿命周期占比为1/4，WXF 为温度循环应力作用的模块，作用时间的工作寿命周期占比为1，3 类组合应力相互独立，二极管寿命周期应用可靠性模型如图2 所示。

图2 二极管寿命周期应用可靠性模型

因此，器件在工作寿命周期内的可靠度R(t)[3]可以表示为

其中，P为概率，t为时间，ε1为高温应力、高湿应力、电应力作用下的失效时间；ε2为高温应力、电应力作用下的失效时间；ε3为温度循环应力作用下的失效时间。

假定器件的失效率服从二参数威布尔分布[4]，3 类组合应力相互独立且同分布，t=NT，N为间断周期数，T为一个间断周期（1 年），即有：

其中，η为威布尔分布的尺度参数，m为威布尔分布的形状参数，R1(a1t)、ηS、mS分别为高温应力、高湿应力、电应力作用下的可靠度、尺度参数和形状参数；R2(a2t)、ηG、mG分别为高温应力、电应力作用下的可靠度、尺度参数和形状参数；R3(a3t)、ηW、mW分别为温度循环应力作用下的可靠度、尺度参数和形状参数。

因此，器件应用的可靠度为

由式（6）可知，应分别对3 组组合应力进行试验验证。

2.4 验证方案设计

从2.3 节的推导过程可知，器件应用可靠性评价的敏感应力主要是3 组组合应力。结合器件的可靠性模型，器件的应用可靠性可以通过相对独立的分组加速试验进行加速应力可靠性验证和评价，分别为高温应力、高湿应力加速试验（H3TRB），高温应力、电应力加速试验（HTRB）和温度循环加速试验（TC）。

参考固态电子学会发布的相关标准，结合器件组合应力下工作极限摸底试验，在保持失效机理不变的原则下，确定器件开展加速试验条件如表1 所示，表中RH 表示相对湿度，Vds为漏源电压。

表1 分组加速试验方案

3 试验结果分析与可靠性评价

3.1 基于性能退化的伪失效寿命推定

选用某光伏二极管（旁通），耐压为45 V，采用TO-263 封装，投入77 颗按照表1 的HTRB 试验方案试验，投入154 颗进行预处理后分别按照表1 执行H3TRB 试验和TC 试验，其中温度循环1 cycle/h。每隔168 h 或者100 cycle 执行中间测试，经过试验后3 组试验测试结果均为器件未失效，因此可以采用性能退化数据外推伪失效寿命[5]的方式进行特征寿命估算。

对器件各性能指标退化速率和失效阈值进行分析，包括不同条件下的反向漏电、反向耐压和正向压降，确定500 μA 的反向耐压（VR@500 μA）的漂移率最高，因此将该性能退化指标作为退化失效的退化特征量。

对3 组试验的测试数据进行分析，分别对第i（i=1，2，3）组试验的第j（j=1，2，3，4，…）只样品的VR@500 μA 指标的第k（k=1，2，3，…）个测试结果画散点图，用线性进行拟合，然后用相关系数进行检验，不满足相关系数R＞0.8 的数据作为奇点值剔除掉。经检验没有奇点值，可以确定测试时间和测试结果基本符合线性，采用最小二乘法[6]进行回归分析：

其中：yi，j，k为第i组试验第j只样品第k个测试点的测试结果；xi，j，k为第i组试验第j只样品第k个测试点的测试时间；ai，j为回归系数；bi，j为回归误差。

假设应力试验过程中器件的失效机理总体保持不变，且相同间隔内退化量服从正态分布，该假设可以采用直方图进行检验确认。由于测试间隔较少，可以采用Bootstrap 自助样本扩充[7]进行样本扩展，或者采用插值法[8]扩展样本。结合行业用户要求，定义器件VR@500 μA 从初始值漂移20%为失效阈值。依据退化轨迹，可以估计第i组试验第j只样品的伪失效寿命Ti,j。

3.2 基于伪失效寿命的寿命分布参数评估

假定器件失效分布函数符合二参数威布尔分布，因此，器件在3 组试验应力条件下的可靠度[9]均可表示为

由于累积失效分布函数F(t)=1-R(t)，令

可以构建线性回归方程

其中：c为回归参数，等于m；d为误差参数，等于-mlnη。

将3 组试验数据的F(t)和伪失效寿命Ti,j分别代入式（9）（10），可以画出散点图，伪失效寿命累积失效分布概率如图3 所示。采用最小二乘法进行线性回归拟合，可以分别获得3 组试验器件的伪失效寿命分布的线性回归方程的回归参数和误差参数，代入式（11）计算出威布尔分布参数m和η，并采用R2可决系数检验法进行拟合优度检验。

图3 伪失效寿命累积失效分布概率

采用H3TRB、HTRB 和TC 试验各77 只器件的伪失效寿命拟合的线性回归方程，经计算，其回归参数、误差参数以及对应寿命分布的形状参数和尺度参数分别如表2 所示，由此可以得到加速应力下光伏二极管的可靠性寿命参数。

表2 参数估计表

3.3 采用加速模型与可靠性模型的应用可靠性评价

为了尽可能评价出器件的可靠性，实验室试验均采用加速应力试验，其考核条件与实际应用条件有比较明显的差异，但试验设计时均考虑了加速应力不应影响失效机理的前提，因此可以采用加速应力试验数据进行实际使用条件下的应用可靠性评价，但需根据加速模型进行加速系数计算，结合加速试验数据确定的失效分布参数，以确定工作应力条件下的失效分布参数。

通过对新疆石河子地区全年温湿度等环境的调研和器件工作情况的摸底，假定光伏二极管全年白天工作温度约为50 ℃，相对湿度约为25%，工作偏压约为0.8Vds（未加速），昼夜温差0～50 ℃。针对温度湿度加速的佩克模型[10]加速系数

其中：r为模型常数，工程上常取3；Ea为激活能；RHL、RHU分别为器件的实验室试验湿度和工作湿度；TU、TL分别为器件工作温度和实验室试验温度。

针对温度加速的阿伦尼斯模型[11]加速系数

其中：Ea取0.7 eV[12]；K为波尔兹曼常数，K=8.617×10-5eV/℃。

针对温度循环应力加速的科菲曼森修正模型[13]加速系数

其中：p为模型常数，取2.1；q为模型常数，取0.42；Ea取0.7 eV。

ΔTL、ΔTU、fU、fL、TUmax、TLmax分别为温度循环试验温度差（上下限）、器件工作温度差（昼夜）、工作循环频率、试验循环频率、工作最高温度、试验最高温度。

将实验室应力条件和光伏二极管工作应力条件分别代入式（12）～（14），可得AF1=459，AF2=114，AF3=2 701。由于加速应力只影响器件失效率的快慢，不影响失效机理，因此只影响威布尔寿命分布中的η，不影响m，利用加速系数并结合表2 的估计值可以计算出3 组工作应力条件下的寿命分布参数，代入式（6），即光伏二极管的应用可靠性

利用蒙特卡罗法结合散点图可描绘应用可靠度时间曲线，如图4（a）所示。结合式（2）对可靠度曲线进行数值变换，确定纵坐标为、横坐标为Int的光伏二极管应用失效分布函数，采用3.3 节的方法进行最小二乘法线性拟合。累积失效分布如图4（b）所示，可得y=3.05x-49.79，代入式（10）（11），可得m=3.05，η=12 293 610，即光伏二极管应用阶段的特征寿命为12 293 610 h。

图4 工作应力下可靠度曲线和累积失效分布

4 结论

本文通过应用环境调研和工作任务剖面分析，确定工作任务剖面的主要应力及分布，结合光伏二极管应力分布权重建立应用可靠性模型。该模型引入了应力分布的权重因子，对光伏二极管的应用可靠性评价更符合实际。从实际评价结果来看，采用了引入应力分布权重因子模型的可靠性评价结果相比传统的基于薄弱环节的评价结果，其特征寿命12 293 610 h 与传统评价结果相差较大，这是由于传统评价忽视了应力分布的影响，采用基于薄弱环节失效作为产品可靠性评价的标的，导致评价结果太过保守，与实际应用可靠性结果相差较大。

该方法充分考察了光伏二极管工作任务剖面的工作状态和应力分布，结合实验室针对性试验设计和数据处理可以较好地评估光伏二极管的应用可靠性，也可为各类器件如三极管等的应用可靠性评价提供参考。