王彩琳， 張如亮， 封先鋒， 楊武華， 張 超， 楊 鶯

（1.西安理工大學(xué)自動(dòng)化與信息工程學(xué)院，西安 710048；2.西安市電力電子器件與高效電能變換重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710048）

0 引 言

為了提高電力變換器的效率和可靠性，實(shí)現(xiàn)“節(jié)能降耗”和“雙碳”目標(biāo)，對功率半導(dǎo)體器件的綜合性能及可靠性提出了更高的要求［1-2］。新器件及高端芯片的可靠性已成為我國“卡脖子”技術(shù)的關(guān)鍵，也是行業(yè)技術(shù)發(fā)展追逐的熱點(diǎn)［3-4］。根據(jù)發(fā)改高技〔2020〕1409 號(hào)文件精神，要加快基礎(chǔ)材料、關(guān)鍵芯片、高端元器件等核心技術(shù)攻關(guān)［5］。但是，在器件實(shí)際測試或使用過程中，過應(yīng)力條件下的失效現(xiàn)象頻繁發(fā)生，企業(yè)亟需器件可靠性與失效分析方面的高層次技術(shù)人才［6］。以器件實(shí)物為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)可靠性實(shí)驗(yàn)，由于存在高成本、破壞性及微觀機(jī)理不可測等特殊性，需要采用一種新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，即通過虛擬仿真來進(jìn)行器件的可靠性預(yù)測與設(shè)計(jì)［7］，以克服實(shí)際測試中的諸多限制，同時(shí)也可以通過仿真分析器件失效機(jī)理，從而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性。

根據(jù)教育部2017 年推出的“新工科”計(jì)劃，新工科建設(shè)服務(wù)以新經(jīng)濟(jì)發(fā)展，尋求我國在核心關(guān)鍵技術(shù)上的突破，主要任務(wù)是在技術(shù)、產(chǎn)業(yè)和模式上的創(chuàng)新以及創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式［8-9］。以工程教育新理念、新模式、新方法、新內(nèi)容等作為高校新工科建設(shè)和教育改革的基本內(nèi)容，培養(yǎng)滿足新經(jīng)濟(jì)和產(chǎn)業(yè)所需的新型工程技術(shù)人才［10-11］。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)基于虛擬仿真技術(shù)，可虛擬實(shí)現(xiàn)高危險(xiǎn)性、高破壞性、爆炸性或不可測等實(shí)驗(yàn)場景或現(xiàn)象，是教育部高教司重點(diǎn)推進(jìn)的實(shí)踐課程改革創(chuàng)新模式［12-15］。鑒于功率器件可靠性理論與實(shí)踐教學(xué)的重要性和可靠性測試的特殊性，為了解決傳統(tǒng)理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)與培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力之間的矛盾，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量與效果，降低實(shí)驗(yàn)成本，采用專業(yè)仿真軟件、多媒體和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，構(gòu)建了器件可靠性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐與創(chuàng)新能力，以滿足新工科教育及企業(yè)對創(chuàng)新人才的高要求。

1 虛擬仿真平臺(tái)的建設(shè)理念與內(nèi)容

器件可靠性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以“學(xué)科交叉融合、教學(xué)與科研協(xié)同、學(xué)校與企業(yè)聯(lián)合、優(yōu)質(zhì)資源共享”為建設(shè)理念，依托西安市電力電子器件與高效電能變換重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室與西安理工大學(xué)電子、電氣學(xué)科特色及西安芯派電子科技有限公司的資源優(yōu)勢，將理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)緊密結(jié)合，構(gòu)建的器件可靠性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括動(dòng)態(tài)雪崩效應(yīng)、閂鎖效應(yīng)、短路、靜電放電等物理效應(yīng)，以及過電流和過高di／dt、過電壓和過高du／dt、過熱和低溫等條件對器件可靠性和性能的影響等，如圖1 所示。

圖1 器件可靠性虛擬仿真平臺(tái)的建設(shè)理念及內(nèi)容

在虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，遵循“以工程訓(xùn)練為基礎(chǔ)、提高能力為重點(diǎn)、培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)為核心”的原則，堅(jiān)持以人為本，“知識(shí)、能力、素質(zhì)”全面協(xié)調(diào)發(fā)展，“學(xué)習(xí)、實(shí)踐、創(chuàng)新”三大能力相互促進(jìn)的教學(xué)理念，采用“虛實(shí)結(jié)合、理實(shí)交融、相互補(bǔ)充”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，按照“動(dòng)態(tài)雪崩、閂鎖效應(yīng)、短路、靜電放電、過應(yīng)力失效”五個(gè)模塊建設(shè)，將器件模擬測試、仿真設(shè)計(jì)及失效分析等實(shí)踐內(nèi)容相結(jié)合，多學(xué)科知識(shí)交叉融合，實(shí)現(xiàn)資源共享。通過全過程訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐與創(chuàng)新能力。

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建與實(shí)施

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

圖2 為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)，從下到上依次為數(shù)據(jù)層、支撐層、通用服務(wù)層、仿真層及應(yīng)用層。各層功能如下：

圖2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)圖

（1）數(shù)據(jù)層。該層包括用戶信息、課程庫、實(shí)驗(yàn)案例庫、基礎(chǔ)元件庫、實(shí)驗(yàn)操作規(guī)則庫、實(shí)驗(yàn)問題答案庫和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫等信息。將實(shí)驗(yàn)過程中的電路參數(shù)、器件結(jié)構(gòu)參數(shù)和用戶信息等進(jìn)行保存。

（2）支撐層。該層是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的核心框架，提供實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目正常運(yùn)行的基礎(chǔ)，負(fù)責(zé)整個(gè)基礎(chǔ)系統(tǒng)運(yùn)行、維護(hù)和管理，主要包括安全管理、數(shù)據(jù)管理、服務(wù)管理、資源管理等子功能系統(tǒng)。

（3）通用服務(wù)層。該層為第三方虛擬仿真平臺(tái)，提供虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的通用支持組件，以便用戶可以快速在平臺(tái)完成實(shí)驗(yàn)。通用服務(wù)主要包括實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目管理、實(shí)驗(yàn)報(bào)告提交與批改管理、實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理和數(shù)據(jù)接口等。

（4）仿真層。該層主要是針對虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中的器件可靠性設(shè)計(jì)及失效機(jī)理分析驗(yàn)證進(jìn)行模擬。

（5）應(yīng)用層。實(shí)驗(yàn)教師可以根據(jù)教學(xué)需求，利用服務(wù)層提供的工具和仿真層提供的相應(yīng)模型，設(shè)計(jì)各種不同實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

2.2 布局與操作流程

圖3 為虛擬仿真平臺(tái)的布局。利用先進(jìn)的控制策略將服務(wù)器硬件、軟件進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)者、設(shè)備、軟件之間的智能通信與協(xié)同。先通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場視頻熟悉真實(shí)的器件可靠性測試環(huán)境與測試設(shè)備，然后選擇進(jìn)入各虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，了解具體測試電路、方法與條件，接著在專用軟件平臺(tái)中建立器件結(jié)構(gòu)模型，并選擇相應(yīng)的物理模型，進(jìn)行仿真分析、設(shè)計(jì)與優(yōu)化、失效機(jī)理分析等工作，從而完成不同器件的各類虛擬實(shí)驗(yàn)。各部分內(nèi)容介紹如下：

圖3 虛擬仿真平臺(tái)的布局分布

（1）測試環(huán)境。利用合作企業(yè)的測試設(shè)備，對器件的可靠性參數(shù)，如雪崩耐量、閂鎖電流、短路電流、ESD通過電壓等進(jìn)行測試。

（2）測試電路與條件。針對不同類型和電壓等級(jí)的器件及其可靠性參數(shù)測試，確定相應(yīng)的測試電路和具體測試條件。

（3）仿真訓(xùn)練。根據(jù)器件電壓等級(jí)建立相應(yīng)的結(jié)構(gòu)模型，選取相應(yīng)的物理模型進(jìn)行仿真；通過改變測試條件，分析不同的測試條件對可靠性參數(shù)的影響及其變化趨勢。

（4）器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化。分析影響可靠性參數(shù)（如雪崩耐量）的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)或工藝參數(shù)，然后改變這些參數(shù)，通過仿真分析，確定最優(yōu)化的參數(shù)范圍。

（5）失效機(jī)理分析。通過分析過電壓、過高du／dt、過電流、過高di／dt、高溫或低溫下器件內(nèi)部的電場強(qiáng)度分布、電流密度分布及載流子的運(yùn)動(dòng)軌跡等，了解器件內(nèi)部的物理效應(yīng)及失效機(jī)理。

圖4 為虛擬仿真平臺(tái)引導(dǎo)視頻流程。根據(jù)該流程，實(shí)驗(yàn)者可以熟悉每個(gè)實(shí)驗(yàn)的目的、內(nèi)容、方法、步驟、注意事項(xiàng)及基本要求；教師可根據(jù)實(shí)驗(yàn)者完成情況進(jìn)行成績評定。

圖4 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室引導(dǎo)視頻流程

圖5 為虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目操作流程，包括各仿真實(shí)驗(yàn)介紹、實(shí)驗(yàn)者注冊與登錄信息、仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K選擇、仿真實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析報(bào)告及實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程評價(jià)。

圖5 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目操作流程

2.3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的特色與作用

器件可靠性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以為不同層次實(shí)驗(yàn)者的工程實(shí)訓(xùn)提供有針對性的菜單式選擇項(xiàng)目和充分的獨(dú)立實(shí)踐與學(xué)習(xí)條件，增強(qiáng)其參與實(shí)踐和創(chuàng)新訓(xùn)練的積極性和主動(dòng)性，提升深入思考和學(xué)習(xí)的能力。在由實(shí)驗(yàn)?zāi)K、模擬軟件、繪圖工具和參考資料等構(gòu)成虛擬實(shí)驗(yàn)與引導(dǎo)模擬實(shí)驗(yàn)的交互環(huán)境下，通過改變不同實(shí)驗(yàn)器件、測試條件、結(jié)構(gòu)參數(shù)、應(yīng)力類型等來完成不同的可靠性仿真與失效分析實(shí)驗(yàn)。

（1）滿足不同層次實(shí)驗(yàn)者的需求。實(shí)驗(yàn)?zāi)K①、②針對本科三年級(jí)學(xué)生設(shè)置，在學(xué)習(xí)相關(guān)理論課及實(shí)踐課的基礎(chǔ)上，進(jìn)行器件可靠性測試方面的訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用知識(shí)的能力；實(shí)驗(yàn)?zāi)K③、④針對本科四年級(jí)學(xué)生進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)，研究某器件的可靠性問題，培養(yǎng)學(xué)生分析問題的能力。實(shí)驗(yàn)?zāi)K⑤針對碩士生進(jìn)行課題研究，提出解決問題的方案，培養(yǎng)學(xué)生分析及解決問題的能力及科研素質(zhì)。此外，企業(yè)技術(shù)人員可以利用該平臺(tái)，深入理解各類器件可靠性與失效物理等方面的相關(guān)知識(shí)，提高理論水平，能夠?qū)こ虘?yīng)用中出現(xiàn)的器件可靠性問題提出解決方案。

（2）研究不同器件在不同條件下的可靠性。比如，動(dòng)態(tài)雪崩實(shí)驗(yàn)，用來研究功率二極管、功率雙極晶體管、功率MOSFET、IGBT及IGCT等器件在關(guān)斷過程中的可靠性；閂鎖效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，用來研究IGBT和晶閘管開關(guān)過程的可靠性；短路實(shí)驗(yàn)，用來研究功率雙極晶體管和IGBT 抗短路的能力；靜電放電實(shí)驗(yàn)，適合所有MOS型器件的靜電放電靈敏度及通過電壓測試；過應(yīng)力失效實(shí)驗(yàn)，可研究所有器件在過應(yīng)力條件下的失效機(jī)理。通過研究不同器件的同類可靠性仿真實(shí)驗(yàn)，有助于加深學(xué)生對功率器件可靠性問題的理解，找出影響各器件可靠性的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)和因素，從而更好地預(yù)測、設(shè)計(jì)器件的可靠性，并提出改進(jìn)措施，有利于提高其實(shí)踐和創(chuàng)新能力。圖6 所示為基于該器件可靠性虛擬平臺(tái)開展的功率MOSFET 動(dòng)態(tài)雪崩耐量測試與仿真分析。

圖6 功率MOS動(dòng)態(tài)雪崩耐量虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

（3）對器件進(jìn)行全方位的研究。將虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)與科學(xué)研究相結(jié)合，針對不同電壓等級(jí)或不同結(jié)構(gòu)的IGBT，在不同工作狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)雪崩、閂鎖效應(yīng)、短路、靜電放電，以及各種過應(yīng)力條件下的失效機(jī)理等開展研究，對提高IGBT的可靠性有重要的實(shí)用價(jià)值，對培養(yǎng)高層次的專業(yè)創(chuàng)新人才有重要的支撐作用。

（4）培養(yǎng)學(xué)生的科研素質(zhì)和科學(xué)精神。以企業(yè)產(chǎn)業(yè)需求為導(dǎo)向，設(shè)置進(jìn)階的實(shí)驗(yàn)?zāi)K及內(nèi)容，不僅可以提升學(xué)生學(xué)業(yè)挑戰(zhàn)度，增加課程難度和深度，提高課程質(zhì)量；同時(shí)體現(xiàn)課程多維的思政元素，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)思考、刻苦鉆研、探索未知、追求真理，激發(fā)科技報(bào)國的家國情懷和使命擔(dān)當(dāng)。在可靠性與失效分析全過程訓(xùn)練中做好立德樹人。

3 結(jié) 語

本文依托校企資源優(yōu)勢，采用先進(jìn)的建設(shè)理念和實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，構(gòu)建具有經(jīng)濟(jì)性、安全性及生動(dòng)直觀等特點(diǎn)的功率器件可靠性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可完成“動(dòng)態(tài)雪崩、閂鎖效應(yīng)、短路、靜電放電、過應(yīng)力失效”五個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)，將模擬測試、仿真設(shè)計(jì)及失效分析等內(nèi)容相結(jié)合，多學(xué)科知識(shí)交叉融合，實(shí)現(xiàn)資源共享。通過器件可靠性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)施，使不同層次的學(xué)生對功率器件的可靠性與失效機(jī)理有更深入地理解，提高了本科生分析和解決實(shí)際問題的能力和實(shí)踐能力，培養(yǎng)了研究生的創(chuàng)新能力和科研素質(zhì)，從而滿足新工科建設(shè)背景下、專業(yè)認(rèn)證、學(xué)科評估以及企業(yè)對專業(yè)人才的知識(shí)、能力及素質(zhì)等方面的高要求，為行業(yè)創(chuàng)新人才培養(yǎng)做出了積極貢獻(xiàn)。