器件可靠性虚拟仿真实验平台的创新人才培养模式

王彩琳， 张如亮， 封先锋， 杨武华， 张 超， 杨 莺

（1.西安理工大学自动化与信息工程学院，西安 710048；2.西安市电力电子器件与高效电能变换重点实验室，西安 710048）

0 引 言

为了提高电力变换器的效率和可靠性，实现“节能降耗”和“双碳”目标，对功率半导体器件的综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为我国“卡脖子”技术的关键，也是行业技术发展追逐的热点［3-4］。根据发改高技〔2020〕1409 号文件精神，要加快基础材料、关键芯片、高端元器件等核心技术攻关［5］。但是，在器件实际测试或使用过程中，过应力条件下的失效现象频繁发生，企业亟需器件可靠性与失效分析方面的高层次技术人才［6］。以器件实物为基础的传统可靠性实验，由于存在高成本、破坏性及微观机理不可测等特殊性，需要采用一种新的实验教学模式，即通过虚拟仿真来进行器件的可靠性预测与设计［7］，以克服实际测试中的诸多限制，同时也可以通过仿真分析器件失效机理，从而激发学生学习的积极性和主动性。

根据教育部2017 年推出的“新工科”计划，新工科建设服务以新经济发展，寻求我国在核心关键技术上的突破，主要任务是在技术、产业和模式上的创新以及创新人才培养模式［8-9］。以工程教育新理念、新模式、新方法、新内容等作为高校新工科建设和教育改革的基本内容，培养满足新经济和产业所需的新型工程技术人才［10-11］。虚拟仿真实验教学基于虚拟仿真技术，可虚拟实现高危险性、高破坏性、爆炸性或不可测等实验场景或现象，是教育部高教司重点推进的实践课程改革创新模式［12-15］。鉴于功率器件可靠性理论与实践教学的重要性和可靠性测试的特殊性，为了解决传统理论和实验教学与培养学生实践能力之间的矛盾，提高实验教学的质量与效果，降低实验成本，采用专业仿真软件、多媒体和网络通信技术，构建了器件可靠性虚拟仿真实验教学平台，培养学生实践与创新能力，以满足新工科教育及企业对创新人才的高要求。

1 虚拟仿真平台的建设理念与内容

器件可靠性虚拟仿真实验平台以“学科交叉融合、教学与科研协同、学校与企业联合、优质资源共享”为建设理念，依托西安市电力电子器件与高效电能变换重点实验室与西安理工大学电子、电气学科特色及西安芯派电子科技有限公司的资源优势，将理论教学与实践教学紧密结合，构建的器件可靠性实验内容包括动态雪崩效应、闩锁效应、短路、静电放电等物理效应，以及过电流和过高di／dt、过电压和过高du／dt、过热和低温等条件对器件可靠性和性能的影响等，如图1 所示。

图1 器件可靠性虚拟仿真平台的建设理念及内容

在虚拟实验教学中，遵循“以工程训练为基础、提高能力为重点、培养创新意识为核心”的原则，坚持以人为本，“知识、能力、素质”全面协调发展，“学习、实践、创新”三大能力相互促进的教学理念，采用“虚实结合、理实交融、相互补充”的实验教学模式，按照“动态雪崩、闩锁效应、短路、静电放电、过应力失效”五个模块建设，将器件模拟测试、仿真设计及失效分析等实践内容相结合，多学科知识交叉融合，实现资源共享。通过全过程训练，培养学生的实践与创新能力。

2 虚拟仿真实验平台的搭建与实施

2.1 系统架构

图2 为虚拟仿真实验平台系统架构，从下到上依次为数据层、支撑层、通用服务层、仿真层及应用层。各层功能如下：

图2 虚拟仿真实验平台系统架构图

（1）数据层。该层包括用户信息、课程库、实验案例库、基础元件库、实验操作规则库、实验问题答案库和实验数据库等信息。将实验过程中的电路参数、器件结构参数和用户信息等进行保存。

（2）支撑层。该层是虚拟仿真实验平台的核心框架，提供实验项目正常运行的基础，负责整个基础系统运行、维护和管理，主要包括安全管理、数据管理、服务管理、资源管理等子功能系统。

（3）通用服务层。该层为第三方虚拟仿真平台，提供虚拟实验教学的通用支持组件，以便用户可以快速在平台完成实验。通用服务主要包括实验项目管理、实验报告提交与批改管理、实验教学管理和数据接口等。

（4）仿真层。该层主要是针对虚拟实验项目中的器件可靠性设计及失效机理分析验证进行模拟。

（5）应用层。实验教师可以根据教学需求，利用服务层提供的工具和仿真层提供的相应模型，设计各种不同实验内容。

2.2 布局与操作流程

图3 为虚拟仿真平台的布局。利用先进的控制策略将服务器硬件、软件进行集成，实现实验者、设备、软件之间的智能通信与协同。先通过实验现场视频熟悉真实的器件可靠性测试环境与测试设备，然后选择进入各虚拟仿真实验室，了解具体测试电路、方法与条件，接着在专用软件平台中建立器件结构模型，并选择相应的物理模型，进行仿真分析、设计与优化、失效机理分析等工作，从而完成不同器件的各类虚拟实验。各部分内容介绍如下：

图3 虚拟仿真平台的布局分布

（1）测试环境。利用合作企业的测试设备，对器件的可靠性参数，如雪崩耐量、闩锁电流、短路电流、ESD通过电压等进行测试。

（2）测试电路与条件。针对不同类型和电压等级的器件及其可靠性参数测试，确定相应的测试电路和具体测试条件。

（3）仿真训练。根据器件电压等级建立相应的结构模型，选取相应的物理模型进行仿真；通过改变测试条件，分析不同的测试条件对可靠性参数的影响及其变化趋势。

（4）器件结构优化。分析影响可靠性参数（如雪崩耐量）的关键结构参数或工艺参数，然后改变这些参数，通过仿真分析，确定最优化的参数范围。

（5）失效机理分析。通过分析过电压、过高du／dt、过电流、过高di／dt、高温或低温下器件内部的电场强度分布、电流密度分布及载流子的运动轨迹等，了解器件内部的物理效应及失效机理。

图4 为虚拟仿真平台引导视频流程。根据该流程，实验者可以熟悉每个实验的目的、内容、方法、步骤、注意事项及基本要求；教师可根据实验者完成情况进行成绩评定。

图4 虚拟仿真实验室引导视频流程

图5 为虚拟实验项目操作流程，包括各仿真实验介绍、实验者注册与登录信息、仿真实验模块选择、仿真实验操作、实验数据分析报告及实验教学课程评价。

图5 实验项目操作流程

2.3 虚拟仿真实验平台的特色与作用

器件可靠性虚拟仿真实验平台可以为不同层次实验者的工程实训提供有针对性的菜单式选择项目和充分的独立实践与学习条件，增强其参与实践和创新训练的积极性和主动性，提升深入思考和学习的能力。在由实验模块、模拟软件、绘图工具和参考资料等构成虚拟实验与引导模拟实验的交互环境下，通过改变不同实验器件、测试条件、结构参数、应力类型等来完成不同的可靠性仿真与失效分析实验。

（1）满足不同层次实验者的需求。实验模块①、②针对本科三年级学生设置，在学习相关理论课及实践课的基础上，进行器件可靠性测试方面的训练，培养学生应用知识的能力；实验模块③、④针对本科四年级学生进行毕业设计，研究某器件的可靠性问题，培养学生分析问题的能力。实验模块⑤针对硕士生进行课题研究，提出解决问题的方案，培养学生分析及解决问题的能力及科研素质。此外，企业技术人员可以利用该平台，深入理解各类器件可靠性与失效物理等方面的相关知识，提高理论水平，能够对工程应用中出现的器件可靠性问题提出解决方案。

（2）研究不同器件在不同条件下的可靠性。比如，动态雪崩实验，用来研究功率二极管、功率双极晶体管、功率MOSFET、IGBT及IGCT等器件在关断过程中的可靠性；闩锁效应实验，用来研究IGBT和晶闸管开关过程的可靠性；短路实验，用来研究功率双极晶体管和IGBT 抗短路的能力；静电放电实验，适合所有MOS型器件的静电放电灵敏度及通过电压测试；过应力失效实验，可研究所有器件在过应力条件下的失效机理。通过研究不同器件的同类可靠性仿真实验，有助于加深学生对功率器件可靠性问题的理解，找出影响各器件可靠性的关键结构参数和因素，从而更好地预测、设计器件的可靠性，并提出改进措施，有利于提高其实践和创新能力。图6 所示为基于该器件可靠性虚拟平台开展的功率MOSFET 动态雪崩耐量测试与仿真分析。

图6 功率MOS动态雪崩耐量虚拟仿真实验

（3）对器件进行全方位的研究。将虚拟实验教学与科学研究相结合，针对不同电压等级或不同结构的IGBT，在不同工作状态下的动态雪崩、闩锁效应、短路、静电放电，以及各种过应力条件下的失效机理等开展研究，对提高IGBT的可靠性有重要的实用价值，对培养高层次的专业创新人才有重要的支撑作用。

（4）培养学生的科研素质和科学精神。以企业产业需求为导向，设置进阶的实验模块及内容，不仅可以提升学生学业挑战度，增加课程难度和深度，提高课程质量；同时体现课程多维的思政元素，引导学生主动思考、刻苦钻研、探索未知、追求真理，激发科技报国的家国情怀和使命担当。在可靠性与失效分析全过程训练中做好立德树人。

3 结 语

本文依托校企资源优势，采用先进的建设理念和实验教学模式，构建具有经济性、安全性及生动直观等特点的功率器件可靠性虚拟仿真实验平台，可完成“动态雪崩、闩锁效应、短路、静电放电、过应力失效”五个虚拟实验，将模拟测试、仿真设计及失效分析等内容相结合，多学科知识交叉融合，实现资源共享。通过器件可靠性虚拟仿真实验平台的实施，使不同层次的学生对功率器件的可靠性与失效机理有更深入地理解，提高了本科生分析和解决实际问题的能力和实践能力，培养了研究生的创新能力和科研素质，从而满足新工科建设背景下、专业认证、学科评估以及企业对专业人才的知识、能力及素质等方面的高要求，为行业创新人才培养做出了积极贡献。