器件可靠性虛擬仿真實驗平臺的創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式

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實驗室，西安 710048）

0 引 言

為了提高電力變換器的效率和可靠性，實現(xiàn)“節(jié)能降耗”和“雙碳”目標，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［3-4］。根據(jù)發(fā)改高技〔2020〕1409 號文件精神，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］。以器件實物為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)可靠性實驗，由于存在高成本、破壞性及微觀機理不可測等特殊性，需要采用一種新的實驗教學(xué)模式，即通過虛擬仿真來進行器件的可靠性預(yù)測與設(shè)計［7］，以克服實際測試中的諸多限制，同時也可以通過仿真分析器件失效機理，從而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性。

根據(jù)教育部2017 年推出的“新工科”計劃，新工科建設(shè)服務(wù)以新經(jīng)濟發(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)濟和產(chǎn)業(yè)所需的新型工程技術(shù)人才［10-11］。虛擬仿真實驗教學(xué)基于虛擬仿真技術(shù)，可虛擬實現(xiàn)高危險性、高破壞性、爆炸性或不可測等實驗場景或現(xiàn)象，是教育部高教司重點推進的實踐課程改革創(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)理論和實驗教學(xué)與培養(yǎng)學(xué)生實踐能力之間的矛盾，提高實驗教學(xué)的質(zhì)量與效果，降低實驗成本，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驗教學(xué)平臺，培養(yǎng)學(xué)生實踐與創(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 虛擬仿真平臺的建設(shè)理念與內(nèi)容

器件可靠性虛擬仿真實驗平臺以“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實驗室與西安理工大學(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)與實踐教學(xué)緊密結(jié)合，構(gòu)建的器件可靠性實驗內(nèi)容包括動態(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的建設(shè)理念及內(nèi)容

在虛擬實驗教學(xué)中，遵循“以工程訓(xùn)練為基礎(chǔ)、提高能力為重點、培養(yǎng)創(chuàng)新意識為核心”的原則，堅持以人為本，“知識、能力、素質(zhì)”全面協(xié)調(diào)發(fā)展，“學(xué)習(xí)、實踐、創(chuàng)新”三大能力相互促進的教學(xué)理念，采用“虛實結(jié)合、理實交融、相互補充”的實驗教學(xué)模式，按照“動態(tài)雪崩、閂鎖效應(yīng)、短路、靜電放電、過應(yīng)力失效”五個模塊建設(shè)，將器件模擬測試、仿真設(shè)計及失效分析等實踐內(nèi)容相結(jié)合，多學(xué)科知識交叉融合，實現(xiàn)資源共享。通過全過程訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生的實踐與創(chuàng)新能力。

2 虛擬仿真實驗平臺的搭建與實施

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

圖2 為虛擬仿真實驗平臺系統(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 虛擬仿真實驗平臺系統(tǒng)架構(gòu)圖

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

（2）支撐層。該層是虛擬仿真實驗平臺的核心框架，提供實驗項目正常運行的基礎(chǔ)，負責整個基礎(chǔ)系統(tǒng)運行、維護和管理，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，提供虛擬實驗教學(xué)的通用支持組件，以便用戶可以快速在平臺完成實驗。通用服務(wù)主要包括實驗項目管理、實驗報告提交與批改管理、實驗教學(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驗項目中的器件可靠性設(shè)計及失效機理分析驗證進行模擬。

（5）應(yīng)用層。實驗教師可以根據(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)計各種不同實驗內(nèi)容。

2.2 布局與操作流程

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

圖3 虛擬仿真平臺的布局分布

（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通過電壓等進行測試。

（2）測試電路與條件。針對不同類型和電壓等級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)器件電壓等級建立相應(yīng)的結(jié)構(gòu)模型，選取相應(yīng)的物理模型進行仿真；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)部的電場強度分布、電流密度分布及載流子的運動軌跡等，了解器件內(nèi)部的物理效應(yīng)及失效機理。

圖4 為虛擬仿真平臺引導(dǎo)視頻流程。根據(jù)該流程，實驗者可以熟悉每個實驗的目的、內(nèi)容、方法、步驟、注意事項及基本要求；教師可根據(jù)實驗者完成情況進行成績評定。

圖4 虛擬仿真實驗室引導(dǎo)視頻流程

圖5 為虛擬實驗項目操作流程，包括各仿真實驗介紹、實驗者注冊與登錄信息、仿真實驗?zāi)K選擇、仿真實驗操作、實驗數(shù)據(jù)分析報告及實驗教學(xué)課程評價。

圖5 實驗項目操作流程

2.3 虛擬仿真實驗平臺的特色與作用

器件可靠性虛擬仿真實驗平臺可以為不同層次實驗者的工程實訓(xùn)提供有針對性的菜單式選擇項目和充分的獨立實踐與學(xué)習(xí)條件，增強其參與實踐和創(chuàng)新訓(xùn)練的積極性和主動性，提升深入思考和學(xué)習(xí)的能力。在由實驗?zāi)K、模擬軟件、繪圖工具和參考資料等構(gòu)成虛擬實驗與引導(dǎo)模擬實驗的交互環(huán)境下，通過改變不同實驗器件、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驗。

（1）滿足不同層次實驗者的需求。實驗?zāi)K①、②針對本科三年級學(xué)生設(shè)置，在學(xué)習(xí)相關(guān)理論課及實踐課的基礎(chǔ)上，進行器件可靠性測試方面的訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用知識的能力；實驗?zāi)K③、④針對本科四年級學(xué)生進行畢業(yè)設(shè)計，研究某器件的可靠性問題，培養(yǎng)學(xué)生分析問題的能力。實驗?zāi)K⑤針對碩士生進行課題研究，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，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，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，動態(tài)雪崩實驗，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)實驗，用來研究IGBT和晶閘管開關(guān)過程的可靠性；短路實驗，用來研究功率雙極晶體管和IGBT 抗短路的能力；靜電放電實驗，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)力失效實驗，可研究所有器件在過應(yīng)力條件下的失效機理。通過研究不同器件的同類可靠性仿真實驗，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)計器件的可靠性，并提出改進措施，有利于提高其實踐和創(chuàng)新能力。圖6 所示為基于該器件可靠性虛擬平臺開展的功率MOSFET 動態(tài)雪崩耐量測試與仿真分析。

圖6 功率MOS動態(tài)雪崩耐量虛擬仿真實驗

（3）對器件進行全方位的研究。將虛擬實驗教學(xué)與科學(xué)研究相結(jié)合，針對不同電壓等級或不同結(jié)構(gòu)的IGBT，在不同工作狀態(tài)下的動態(tài)雪崩、閂鎖效應(yīng)、短路、靜電放電，以及各種過應(yīng)力條件下的失效機理等開展研究，對提高IGBT的可靠性有重要的實用價值，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)置進階的實驗?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；同時體現(xiàn)課程多維的思政元素，引導(dǎo)學(xué)生主動思考、刻苦鉆研、探索未知、追求真理，激發(fā)科技報國的家國情懷和使命擔當。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，采用先進的建設(shè)理念和實驗教學(xué)模式，構(gòu)建具有經(jīng)濟性、安全性及生動直觀等特點的功率器件可靠性虛擬仿真實驗平臺，可完成“動態(tài)雪崩、閂鎖效應(yīng)、短路、靜電放電、過應(yīng)力失效”五個虛擬實驗，將模擬測試、仿真設(shè)計及失效分析等內(nèi)容相結(jié)合，多學(xué)科知識交叉融合，實現(xiàn)資源共享。通過器件可靠性虛擬仿真實驗平臺的實施，使不同層次的學(xué)生對功率器件的可靠性與失效機理有更深入地理解，提高了本科生分析和解決實際問題的能力和實踐能力，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)認證、學(xué)科評估以及企業(yè)對專業(yè)人才的知識、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。