高層摘要

隨著消費(fèi)者和工業(yè)電子系統(tǒng)不斷增長的能源需求，電子電力元器件供應(yīng)商以及OEM 面臨著為航空、電動車、火車、發(fā)電設(shè)備以及可重復(fù)使用能源生產(chǎn)提供高可靠性系統(tǒng)的挑戰(zhàn)。獨一無二的 Simcenter POWERTESTER 1500A 軟件應(yīng)運(yùn)而生，通過更快地測試和診斷出電力元器件可能的故障原因，幫助應(yīng)對上述挑戰(zhàn)。下面是兩個使用 IGBT 模塊的例子，用以說明如何解決這個問題。

高載荷和長壽命條件下的可靠性挑戰(zhàn)

電力電子元器件（例如 MOSFET、二極管、晶體管和 IGBT）被廣泛用于各種產(chǎn)生、轉(zhuǎn)換和控制電能的場合。由于消費(fèi)者和工業(yè)應(yīng)用的能源需求不斷增加，功率模塊制造商所面臨的挑戰(zhàn)是要在保持高質(zhì)量和高可靠性的同時，提高最大功率和電流負(fù)載能力。例如，鐵路牽引應(yīng)用的預(yù)期可靠使用壽命為30 年，而對于納入到混合動力和電動車的功率模塊以及太陽能和風(fēng)力渦輪機(jī)的能量生產(chǎn)系統(tǒng)而言，則要求循環(huán)數(shù)達(dá)到50,000 到數(shù)百萬。

隨著需求變得越來越緊迫，創(chuàng)新帶來了一些新的技術(shù)，例如使用具有增強(qiáng)熱傳遞系數(shù)的陶瓷基板和帶式鍵合來取代粗封裝鍵合線，以及使用無焊料芯片粘接技術(shù)來增強(qiáng)模塊的功率循環(huán)能力等等。新的基板有助于降低溫度，載帶可載荷更大的電流，而且無焊料芯片粘接可以是燒結(jié)的銀，具有特別低的熱阻。簡言之，就是對熱流路徑進(jìn)行了改進(jìn)。但是，這些系統(tǒng)上的熱和熱- 機(jī)械應(yīng)力仍然會造成相關(guān)的功率循環(huán)和散熱故障。這些應(yīng)力可能會導(dǎo)致很多問題，如封裝鍵合線降級、焊接疲勞、疊層分層、芯片或基板破裂。

功率循環(huán)失效測試的傳統(tǒng)工藝需要不斷重復(fù)且耗時費(fèi)力，其只能在“事后” 進(jìn)行，而且必須在實驗室里對封裝的內(nèi)部狀況進(jìn)行分析。

Simcenter POWERTESTER 如何提高測試和診斷速度

Simcenter POWERTESTER 1500A 是唯一專為制造以及實驗室環(huán)境設(shè)計的設(shè)備，它能夠在自動功率循環(huán)的同時為正在發(fā)生的故障診斷生成實時分析數(shù)據(jù)。它用于更快地完成使用壽命測試，并可提高使用電力電子模塊的應(yīng)用系統(tǒng)可靠性。

Simcenter POWERTESTER 1500A 是用于電子元件、LED 和系統(tǒng)的 Simcenter T3STER 熱測量和熱特征提取技術(shù)的工業(yè)實施。Simcenter POWERTESTER 1500A 是目前唯一能夠在一臺機(jī)器上同時進(jìn)行全自動功率測試和循環(huán)，而不必在此過程中拆卸下被測器件的設(shè)備。其簡單易用的觸摸屏界面方便技術(shù)人員在生產(chǎn)車間內(nèi)使用，也便于故障分析工程師在實驗室中使用（圖 3）

圖 3：Simcenter POWERTESTER 1500A 觸摸屏界面（圖片依次為：主屏幕、器件創(chuàng)建、在冷板上放置器件）

Simcenter POWERTESTER 1500A 可以感測電流、電壓和芯片溫度，并使用結(jié)構(gòu)函數(shù)分析來記錄封裝結(jié)構(gòu)中的變化或故障，這是分析 MOSFET、IGBT 和通用雙極器件的首選。本機(jī)可用于增強(qiáng)和加速封裝開發(fā)、可靠性測試，以及在生產(chǎn)前對輸入的元件進(jìn)行批量檢查。

在運(yùn)行功率循環(huán)的過程中，實時結(jié)構(gòu)函數(shù)分析顯示正在發(fā)生的故障、循環(huán)數(shù)和產(chǎn)生故障的原因，省去事后去實驗室分析的麻煩。不再需要在多個樣品上進(jìn)行耗時的循環(huán)測試以估計降級對應(yīng)的循環(huán)數(shù)范圍。也沒有必要在該范圍內(nèi)額外增加熱測量次數(shù)來確定捕獲的降級真實存在。被測器件只需安裝連接一次，相關(guān)循環(huán)和配置從一開始即可進(jìn)行定義。

使用 Simcenter POWERTESTER 1500A，電力電子產(chǎn)品供應(yīng)商能夠為其客戶設(shè)計出更可靠的電力電子封裝，并能提供可靠性規(guī)范。元器件設(shè)計人員和制造商能夠驗證供應(yīng)商的可靠性規(guī)范和鑒定封裝的可靠性。負(fù)責(zé)設(shè)計和制造需要具有長期高可靠性產(chǎn)品的人員將能夠在系統(tǒng)級別進(jìn)行測試。

Simcenter POWERTESTER 1500A 在設(shè)計上符合 JEDEC 標(biāo)準(zhǔn) JESD51-1 靜態(tài)測試方法。系統(tǒng)可以根據(jù)捕獲到的瞬態(tài)響應(yīng)，自動生成相應(yīng)的結(jié)構(gòu)函數(shù)。結(jié)構(gòu)函數(shù)提供通過熱阻和熱電容表示的熱傳導(dǎo)路徑的等效模型，這些模型可用于檢測結(jié)構(gòu)失效或捕捉熱傳導(dǎo)路徑中的局部熱阻。Simcenter POWERTESTER 1500A還支持 JEDEC 標(biāo)準(zhǔn) JESD 51-14 瞬態(tài)雙界面測量以確定 RthJC。組合的功率循環(huán)的過程和 Rth測量模式會在使用功率循環(huán)的器件上產(chǎn)生應(yīng)力、在循環(huán)期間定期測量 Rth、監(jiān)控系統(tǒng)參數(shù)（例如電壓和電流），以及自動增加 Rth測量頻率。

Simcenter POWERTESTER 1500A 生成的測試和特征提取數(shù)據(jù)可用于在熱仿真軟件 Simcenter Flotherm 和 SimcenterFLOEFD 中對詳細(xì)模型進(jìn)行校準(zhǔn)和驗證。

示例：通過循環(huán)使用壽命測試 IGBT 模塊

電子電力模塊及其相關(guān)組件和系統(tǒng)的設(shè)計人員必須確保芯片和基板之間的熱阻盡可能地低，必須創(chuàng)建可靠的鍵合并確保芯片粘接層在產(chǎn)品的使用壽命內(nèi)能夠承受極大的熱載荷（圖 4）。設(shè)計人員必須了解最大載荷循環(huán)數(shù)和器件溫度/ 載荷條件之間的關(guān)系，才能較為準(zhǔn)確地估算功率模塊的使用壽命。

圖 4：IGBT 模塊的橫截面

隨著純電動和混合動力車輛的問世，IGBT 器件在牽引和高壓變流器應(yīng)用領(lǐng)域已占據(jù)龍頭地位，而各種結(jié)點中散發(fā)的熱量對這些元器件的可靠性會有很大影響。工作過程中的高結(jié)溫和高溫度梯度會引起機(jī)械應(yīng)力，尤其是在具有不同熱膨脹系數(shù)的材料之間的接觸面上，而這可能導(dǎo)致降級甚至完全失效。

我們對四個包含兩個半橋的中功率 IGBT 模塊進(jìn)行了測試，以證明可以通過元器件的自動功率循環(huán)獲得豐富數(shù)據(jù)。這些實驗的詳細(xì)信息曾在 2013 年 IEEE 電子產(chǎn)品封裝技術(shù)大會和 2014 年 SEMI-THERM 會議 [1, 2] 上介紹過。

這些模塊被固定在 Simcenter POWERTESTER 1500A 中集成的冷板上（采用液冷散熱），用一塊高熱導(dǎo)率導(dǎo)熱墊來盡量減小界面間的熱阻。在整個實驗過程中，我們通過Simcenter POWERTESTER 1500A 控制的液冷循環(huán)器將冷板溫度始終保持在 25 ° C。

將器件的柵極連接到器件的漏極（即所謂的“放大二極管設(shè)置”），同時各個半橋使用單獨的驅(qū)動電路供電。兩個電流源分別連接到相應(yīng)的半橋。使用一個可以快速切換開關(guān)狀態(tài)的大電流電源對這些器件施加階躍式功率變化。另外使用一個低電流電源為 IGBT 提供連續(xù)偏壓，這樣可在加熱電流關(guān)閉時測量器件溫度。

在第一組測試中，我們采用恒定的加熱和冷卻時間對四個樣品分別進(jìn)行了測試。選擇的加熱和冷卻時間分別是加熱3 秒鐘和冷卻 10 秒鐘，在 200 W 功率條件下將初始溫度波動保持在 100° C 左右。這樣的測試設(shè)置可以最貼切地模擬實際應(yīng)用環(huán)境，在此環(huán)境中，熱結(jié)構(gòu)的降級會導(dǎo)致結(jié)溫升高，進(jìn)而加速器件老化。

圖 5：樣品 0 在不同時間點的控制測量值對應(yīng)的結(jié)構(gòu)函數(shù)

在這四個器件中，樣品 3 在經(jīng)過 10,000 次循環(huán)后不久便失效了，遠(yuǎn)遠(yuǎn)早于其他樣品。樣品 0、1 和 2 持續(xù)時間較長，分別在經(jīng)過 40,660、41,476 和 43,489 次功率循環(huán)后失效。圖 5 顯示了通過瞬態(tài)熱測試（每隔 5,000 個循環(huán)對樣品 0 執(zhí)行一次測量）生成的結(jié)構(gòu)函數(shù)。位于 0.08Ws/K 的平坦區(qū)域?qū)?yīng)于芯片粘接層。該結(jié)構(gòu)在 15,000 次循環(huán)之前是穩(wěn)定的，但過了這個點之后，隨著熱阻持續(xù)增大，芯片粘接層出現(xiàn)明顯降級，直至器件失效。導(dǎo)致器件失效的直接原因仍舊不明，但我們發(fā)現(xiàn)，柵極和射極之間形成了短路，而且在芯片表面可以看到一些焦斑。

第二組測試設(shè)置為對于完全相同的樣品施加 Simcenter POWERTESTER 1500A 支持的不同的功率施加策略。模塊中的兩個半橋安裝在同一基板的不同基底上。三個器件均采用兩種封裝進(jìn)行了測試，其中被測器件中的 IGBT1 和IGBT3 屬于同一模塊，但位于不同的半橋。

我們對 IGBT1 保持恒定的電流，對 IGBT2 保持恒定的加熱功率，對 IGBT3 保持恒定的結(jié)溫變化。選擇的設(shè)置能夠為所有器件提供相同的初始結(jié)點溫升，即對每個器件加熱3 秒鐘和冷卻 17 秒鐘，初始加熱功率約 240 W，確保對比結(jié)果公平公正。

對每個器件分別測量了所有循環(huán)中全部的加熱和冷卻瞬態(tài)變化，并由 Simcenter POWERTESTER 1500A 對下列電學(xué)參數(shù)和熱學(xué)參數(shù)進(jìn)行了持續(xù)監(jiān)測：

? 開啟加熱電流時的器件電壓

? 上一循環(huán)中施加的加熱電流

? 功率階躍

? 關(guān)閉加熱電流之后的器件電壓

? 開啟加熱電流之前的器件電壓

? 上一功率循環(huán)期間的最高結(jié)溫

? 上一功率循環(huán)期間的最低結(jié)溫

? 上一循環(huán)中的溫度波動

? 使用加熱功率進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后的溫度變化

在使用 10-A 完成每 250 個循環(huán)后，測量從通電穩(wěn)態(tài)到斷電穩(wěn)態(tài)之間的全程熱瞬態(tài)變化，以創(chuàng)建結(jié)構(gòu)函數(shù)來研究熱量累積中的任何降級。同樣，實驗持續(xù)進(jìn)行到所有 IGBT全部失效為止。

不出所料，IGBT1 最先失效，因為在器件降級過程中我們沒有對供電功率進(jìn)行任何調(diào)節(jié)。有趣的是，在該熱結(jié)構(gòu)中，它沒有顯示出任何降級（圖 6）。

圖 6：IGBT1 在功率循環(huán)期間的結(jié)構(gòu)函數(shù)變化

我們對實驗過程中的器件電壓變化進(jìn)行了檢查。圖 7 顯示了 IGBT1 在加熱電流水平的正向電壓視為已經(jīng)歷的功率循環(huán)次數(shù)的函數(shù)。在前 3000 次循環(huán)中，可以觀察到電壓處于下降趨勢。導(dǎo)致初期這一變化的原因主要是器件平均溫度變化相對緩慢（只下降了 5 ° C）。盡管器件電壓的溫度依賴性在電流低時呈現(xiàn)負(fù)特性，但在大電流水平下，正向電壓的溫度依賴性已變?yōu)檎怠?/p>

圖 7：IGBT1 在加熱電流水平的正向電壓與已應(yīng)用的功率循環(huán)數(shù)之間的關(guān)系

在經(jīng)過約 35,000 次循環(huán)后，這一趨勢發(fā)生了變化，電壓開始緩慢升高。之后，器件電壓出現(xiàn)階躍式變化，同時，上升趨勢持續(xù)加快，直至最終器件失效。電壓的增大可歸因于封裝鍵合線的降級，因為結(jié)構(gòu)函數(shù)并沒有變化，這也解釋了在封裝鍵合線最終脫落時電壓出現(xiàn)的階躍式變化。電壓階躍高度的持續(xù)增加是隨著封裝鍵合線數(shù)量的減少，封裝鍵合線并聯(lián)電阻的不斷增大引起的。如果采用恒定電流的策略，封裝鍵合線的斷裂會增加剩余鍵合線中的電流密度，并且加速老化。

圖 8 顯示了 IGBT3 對應(yīng)的同類型曲線，其中，器件電壓轉(zhuǎn)為增長趨勢的時間甚至更早，但由于通過調(diào)節(jié)加熱電流保持了結(jié)溫恒定，因此加熱電流也按比例相應(yīng)地減小了。電流的減小降低了鍵合線的負(fù)載，并延長了器件測試的壽命。

圖 8：IGBT3 在加熱電流水平的正向電壓與已應(yīng)用的功率循環(huán)數(shù)之間的關(guān)系

上述兩組實驗展示了不同的失效模式，并說明了不同的功率策略以及電氣設(shè)置對失效模式可能產(chǎn)生的影響。一組實驗采用的是恒定循環(huán)時間，最貼切地反映了實際的應(yīng)用情況，實驗證明 Simcenter POWERTESTER 1500A 能夠快速檢測出器件結(jié)構(gòu)（包括芯片粘接層和其他受破壞層）內(nèi)出現(xiàn)的降級現(xiàn)象。

第二組實驗清楚地證明封裝鍵合線出現(xiàn)了降級現(xiàn)象，因為我們觀察到器件的正向電壓出現(xiàn)了階躍式升高，但對于不同的供電選項（恒定電流、恒定加熱功率和恒定溫升），所有測試樣品的熱結(jié)構(gòu)函數(shù)都沒有發(fā)生變化。當(dāng)然，由于樣品數(shù)量較少，所以只能做出比較保守的結(jié)論。但是，在Simcenter POWERTESTER 1500A 實驗中也可以發(fā)現(xiàn)，測量結(jié)果可能因循環(huán)策略的不同而有所差異，基于某些策略而預(yù)測的功率器件使用壽命可能會高于其實際的使用壽命。

結(jié)論

可靠性是采用大功率電子產(chǎn)品的眾多行業(yè)關(guān)注的首要問題，對于元器件供應(yīng)商、系統(tǒng)供應(yīng)商和 OEM 而言，對這些模塊進(jìn)行壽命期內(nèi)循環(huán)測試是必不可少的。Simcenter POWERTESTER 1500A 可為模塊供電以經(jīng)受數(shù)萬次（甚至數(shù)百萬次）的循環(huán)，同時提供實時進(jìn)行中的故障診斷。

如上述示例所示，使用 Simcenter POWERTESTER 1500A 可以很輕松、清楚地識別由于芯片粘接降級或封裝鍵合線損壞引起失效的方式。這可顯著減少測試和實驗室診斷時間，也無需進(jìn)行失效后分析或破壞性失效分析。

貝思科爾（BasiCAE），專注于為國內(nèi)高科技電子、半導(dǎo)體、通信等行業(yè)提供先進(jìn)的電子設(shè)計自動化（EDA）、工程仿真分析（CAE）、半導(dǎo)體器件熱阻（Rth）及功率循環(huán)（Power Cycling）熱可靠性測試，以及研發(fā)數(shù)據(jù)信息化管理的解決方案和產(chǎn)品服務(wù)。

審核編輯：湯梓紅