春晚增加了很多人形機(jī)器人的節(jié)目，有人開玩笑，現(xiàn)在春晚的“含人量”越來越低了，未來的春晚搞不好就是一幫機(jī)器人在表演。也有人驚呼，人形機(jī)器人可能會(huì)讓很多人失業(yè)，而我覺得，人形機(jī)器人要想完全替代人力，可能還需要很長時(shí)間。

舞臺(tái)上的機(jī)器人確實(shí)能做很多高難度的動(dòng)作，然而短短幾分鐘，到了幕后，機(jī)器人就不行了，劇烈的運(yùn)動(dòng)，讓機(jī)器人熱“趴”了。熱量主要來自于關(guān)節(jié)內(nèi)部——電機(jī)，減速器，驅(qū)動(dòng)等等部件，在瞬間高功率作用下，熱量無法完全散出，局部地方熱量累積導(dǎo)致超溫，直接影響到機(jī)器人的性能以及可靠性。

除了跳舞，像負(fù)重，運(yùn)動(dòng)，攀登等瞬態(tài)大功率的行為，對于人形機(jī)器人來說都是技術(shù)難點(diǎn)，因?yàn)樾袠I(yè)在人形機(jī)器人的方案設(shè)計(jì)階段，缺乏這方面的數(shù)據(jù)，也沒有對應(yīng)的性能和可靠性相關(guān)的解決方案，而這些都需要時(shí)間的積累。尤其是可靠性，性能還可以直接測試，可靠性需要大量的加速實(shí)驗(yàn)，而加速實(shí)驗(yàn)本身是否有問題，都是一個(gè)未知數(shù)，行業(yè)一般都是靠量去積累，就好比車規(guī)的器件，一個(gè)器件的壽命模型，通常需要幾百臺(tái)機(jī)器，數(shù)年的時(shí)間。

在工程上，壽命評估是通過實(shí)際載荷和加速老化的載荷之間的比值來計(jì)算（參考文章：功率器件的壽命評估），如果要精確評估壽命，產(chǎn)品在全生命過程中的實(shí)際載荷要準(zhǔn)確，功率循環(huán)實(shí)驗(yàn)中的加速老化載荷也要準(zhǔn)確。

個(gè)人認(rèn)為，這恰恰是一個(gè)行業(yè)痛點(diǎn)。早期功率循環(huán)實(shí)驗(yàn)（包括相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)），實(shí)驗(yàn)參數(shù)是由功率器件的開發(fā)者設(shè)計(jì)的，他們大部分都是Si-Pi的專家，但對于熱了解的比較有限，而失效的根本原因是熱載荷，這些實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)，未必合理【參考文章：破析AQG 324功率循環(huán)實(shí)驗(yàn)（PC）失效判定標(biāo)準(zhǔn)】。

以汽車的主驅(qū)為例，行業(yè)普遍認(rèn)為，45%（城市道路，高速巡航等大部分汽車工況）、60%（正常起步，溫和加速）、100%（爬坡，超車，急加速）的額定電流下，主驅(qū)功率器件的主導(dǎo)失效機(jī)理完全一致，都是熱機(jī)械疲勞失效，損傷可以線性疊加。在功率循環(huán)實(shí)驗(yàn)的一些標(biāo)準(zhǔn)中，一般都采用85%的電流（來自于標(biāo)準(zhǔn)），這是否真的很合理？確實(shí)值得仔細(xì)去分析分析。

器件的功耗可以分成開關(guān)損耗及導(dǎo)通損耗，導(dǎo)通損耗主要是器件的電阻導(dǎo)致的，從電路上，我們可以把器件的電阻分為鍵合線的電阻和芯片本體的電阻兩部分，還是以車規(guī)1200V IGBT為例，鍵合線的電阻可以認(rèn)為是一個(gè)常值，大概在0.25～0.5 mΩ左右，溫度變化時(shí)，這個(gè)值的變化不大，而結(jié)溫為25°C時(shí)，芯片的本體電阻大約1～2 mΩ，芯片結(jié)溫為150°C時(shí)，本體電阻變成了1.6～4.3mΩ，由此可見，不同電流下，導(dǎo)通損耗在鍵合線和芯片本體之間的分配，并不是不變的。1200V SiC MosFET的情況和IGBT類似，大概是芯片本體電阻略大一點(diǎn)，大概在2.5-6.0mΩ左右。另一種影響器件的溫度分布的因素是開關(guān)損耗，IGBT的開關(guān)損耗也是隨著溫度升高而變大，但SiC MosFET的開關(guān)損耗會(huì)隨著溫度升高而變小。我們可以看到不同的電流，其失效機(jī)理并不完全一樣，實(shí)際情況是相當(dāng)復(fù)雜的。電流直接決定熱載荷強(qiáng)度，大電流還會(huì)帶來電遷移、電流集聚效應(yīng)和鍵合線局部過熱，這些都是可靠性考核必須可控的變量。不精確控流可能是電流不均→局部熱點(diǎn)→引入非典型失效，壽命結(jié)果分散性極大，無法用于壽命模型。

另一方面，影響功率循環(huán)實(shí)驗(yàn)次數(shù)的三個(gè)核心參數(shù)為ΔTj、T_on以及Tjmax（參考文章：功率循環(huán)基礎(chǔ)篇（二）——功率循環(huán)壽命曲線解讀，轉(zhuǎn)載于公眾號(hào)，熱數(shù)字孿生之家，作者為深藏Blue），三者共同決定疲勞損傷速率、失效模式與最終循環(huán)次數(shù)。其中

?ΔTj決定應(yīng)力幅度（主變量）

?T_on決定熱穩(wěn)態(tài)與應(yīng)力分布

?Tjmax決定高溫蠕變與失效機(jī)理

ΔTj的物理意義——結(jié)溫波動(dòng)幅度：ΔTj=Tjmax?Tjmin直接對應(yīng)每一周的熱膨脹–收縮幅度，是熱機(jī)械疲勞的驅(qū)動(dòng)力。ΔTj是功率循環(huán)實(shí)驗(yàn)中最敏感、最核心的參數(shù)，所有加速老化的本質(zhì)，都是提高ΔTj。ΔTj增加20～30℃，壽命可能下降一個(gè)數(shù)量級，因此功率循環(huán)實(shí)驗(yàn)過程中，對于Tjmax和Tjmin的精確測試，是保證功率循環(huán)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有效的前提。（參考文章：關(guān)于JESD 51-14標(biāo)準(zhǔn)的理解和說明）

T_on的物理意義是導(dǎo)通的時(shí)長，它代表額芯片的熱量在散熱路徑上的位置分布，熱量是否充分傳遞到焊層、基板，以及溫度分布是否均勻。T_on過小，Nf偏長（偽長壽），T_on適中，Nf穩(wěn)定、可復(fù)現(xiàn)，T_on過長，實(shí)驗(yàn)效率下降。在AQG324標(biāo)準(zhǔn)中，對T_on的定義分為秒級和分鐘級，我猜測該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的目的是為了定義適中的T_on，但僅僅用秒級和分鐘級，并不能一概而論。

下圖是兩個(gè)不同器件的秒級功率循環(huán)實(shí)驗(yàn)，加熱時(shí)長均為3秒，右邊的器件熱時(shí)間常數(shù)比左邊的小一些，因此冷卻時(shí)長左邊為7s，右邊為5s。

用結(jié)構(gòu)函數(shù)可以看出，左邊器件的失效主要發(fā)生在器件的Die Attach的位置，而右邊器件的失效主要在器件下面的導(dǎo)熱硅脂。這就說明，即使是同樣的T_on，對于不同的器件，不一定都是適中的時(shí)長，老化的位置也未必一致，具體要看器件本身的熱時(shí)間常數(shù)。

再次提出結(jié)構(gòu)函數(shù)在功率循環(huán)實(shí)驗(yàn)中的重要性，結(jié)構(gòu)函數(shù)是功率循環(huán)實(shí)驗(yàn)中解析器件熱路徑、定位失效位置、監(jiān)測老化過程、驗(yàn)證加載合理性、校準(zhǔn)壽命模型的核心手段。它將傳統(tǒng)“只能看整體失效”的實(shí)驗(yàn)，提升為“可分層、可定量、可機(jī)理分析”的科學(xué)可靠性評估方法，是現(xiàn)代功率循環(huán)測試不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)。

尤其某一些團(tuán)隊(duì)，主要的任務(wù)就是研究局部失效機(jī)理（比如研究不同Die Attach的工藝對壽命的影響），只有通過結(jié)構(gòu)函數(shù)才能確定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效性，大大降低實(shí)驗(yàn)次數(shù)，縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間。

Tjmax決定高溫蠕變、失效機(jī)理是否改變，其物理意義是每個(gè)循環(huán)的最高結(jié)溫，決定材料高溫強(qiáng)度，蠕變行為，以及是否出現(xiàn)過熱型失效。Tjmax≤額定最高結(jié)溫失效為：熱機(jī)械疲勞（焊層、鍵合線）機(jī)理穩(wěn)定，壽命可疊加、可預(yù)測；Tjmax過高會(huì)導(dǎo)致芯片氧化、金屬化重構(gòu)、焊料軟化流淌、熱失控→失效機(jī)理改變，壽命不再受控。Tjmax不只是溫度上限，更是失效機(jī)理的“閘門”。它決定壽命是“正常疲勞”還是“過熱燒毀”。

盡管汽車行業(yè)的可靠性實(shí)驗(yàn)還并不十分科學(xué)合理，基于歷史數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)，功率循環(huán)仍然為汽車行業(yè)的可靠性做出了不可磨滅的貢獻(xiàn)，而人形機(jī)器人行業(yè)是一個(gè)全新的行業(yè)，更關(guān)鍵的是我們走在了世界的最前沿，抄無可抄，基本上都是在借鑒其他行業(yè)的經(jīng)驗(yàn)上，進(jìn)行大量的復(fù)雜的正向設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得靠自己一點(diǎn)一點(diǎn)的積累，這需要很長的時(shí)間，從今年相對于去年的進(jìn)步去猜想，也許十年，也許二十年，我們的人形機(jī)器人可以真正的擺脫熱煩惱，從而實(shí)現(xiàn)大批量應(yīng)用。

審核編輯 黃宇