功率半導(dǎo)體器件功率循環(huán)測(cè)試與控制策略

導(dǎo) 讀

功率循環(huán)測(cè)試是一種功率半導(dǎo)體器件的可靠性測(cè)試方法，被列為AEC-Q101與AQG-324等車規(guī)級(jí)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)的必測(cè)項(xiàng)目。與溫度循環(huán)測(cè)試相比，功率循環(huán)是通過器件內(nèi)部工作的芯片產(chǎn)生熱量，使得器件達(dá)到既定的溫度；而溫度循環(huán)則是通過外部環(huán)境強(qiáng)制被測(cè)試器件達(dá)到測(cè)試溫度。

簡(jiǎn)而言之，一個(gè)是運(yùn)動(dòng)發(fā)熱，一個(gè)是高溫中暑。

功率循環(huán)測(cè)試

功率循環(huán)測(cè)試

由于在功率循環(huán)測(cè)試中的被測(cè)試器件的發(fā)熱部分集中在器件工作區(qū)域，其封裝老化（aging）模式與正常工作下的器件相類似，故功率循環(huán)測(cè)試被認(rèn)可為最接近于實(shí)際應(yīng)用的功率器件可靠性測(cè)試而受到廣泛的關(guān)注。

功率循環(huán)測(cè)試過程中，器件內(nèi)部溫度分布以及應(yīng)力變化

功率循環(huán)測(cè)試臺(tái)

功率循環(huán)測(cè)試臺(tái)是用于功率器件進(jìn)行功率循環(huán)測(cè)試的設(shè)備，其設(shè)計(jì)原理并不復(fù)雜。在試驗(yàn)臺(tái)中，通過電流源供給負(fù)載電流給被測(cè)試器件，電流/電壓探頭實(shí)時(shí)監(jiān)控被測(cè)試器件的電流/電壓數(shù)據(jù)，控制器操控電流源實(shí)現(xiàn)負(fù)載電流按既定時(shí)間中斷。設(shè)備整體的主要成本在電流源與控制器，設(shè)備的設(shè)計(jì)難度在于程序控制以及數(shù)據(jù)采集硬件。

功率循環(huán)測(cè)試設(shè)備簡(jiǎn)圖

檢測(cè)時(shí)間點(diǎn)和被測(cè)參數(shù)

在功率循環(huán)測(cè)試過程中，直接檢測(cè)的數(shù)據(jù)是器件電壓降，負(fù)載電流以及器件底部溫度。通過選取數(shù)據(jù)采樣的時(shí)間點(diǎn)，收集被測(cè)試器件在最高溫與最低溫時(shí)的電壓與器件底部溫度變化，進(jìn)而通過計(jì)算得出器件芯片溫度變化以及器件內(nèi)部的熱阻變化。

功率循環(huán)測(cè)試中，檢測(cè)時(shí)間點(diǎn)以及被測(cè)試參數(shù)

由于大多數(shù)器件在測(cè)試中是處于被封裝狀態(tài)，其內(nèi)部溫度不可通過直接手段進(jìn)行檢測(cè)，故在功率循環(huán)測(cè)試中，器件內(nèi)部芯片的溫度是采用K系數(shù)的方式進(jìn)行間接計(jì)算而獲得的。K系數(shù)代表器件芯片的溫度敏感電學(xué)參數(shù)，其選取的原則在于簡(jiǎn)單、可靠、敏感度高。硅基IGBT芯片的溫度一般采用Vce（集電極-發(fā)射極電壓）進(jìn)行計(jì)算。同時(shí)Vce也能反映IGBT器件內(nèi)部電流路徑的老化情況，5%的Vce增加被認(rèn)定為器件損壞的標(biāo)準(zhǔn)。

IGBT器件的K系數(shù)（Vce-Tj 擬合線）

被測(cè)試器件的熱阻在功率循環(huán)測(cè)試中應(yīng)當(dāng)被實(shí)時(shí)監(jiān)控，因?yàn)槠浞从沉似骷崮芰Φ淖兓?。熱阻通過下列方程簡(jiǎn)單計(jì)算得出，20%的Rth增長(zhǎng)被認(rèn)定為器件失效的標(biāo)準(zhǔn)。

以下列功率循環(huán)測(cè)試中收集的數(shù)據(jù)為例，Vce在427.4k循環(huán)數(shù)左右發(fā)生階段跳躍，同時(shí)器件芯片的最高溫度（Tj,high）上升明顯。這表明器件芯片表面的鍵合線出現(xiàn)斷裂或脫落。而Rth無(wú)明顯變化，表明器件內(nèi)部散熱層老化情況不明顯。

功率循環(huán)測(cè)試中的數(shù)據(jù)

上圖中的功率循環(huán)測(cè)試數(shù)據(jù)有一個(gè)明顯的缺陷，即測(cè)試數(shù)據(jù)的噪聲較大，無(wú)法準(zhǔn)確反映器件內(nèi)部的真實(shí)情況。出現(xiàn)這種缺陷的原因有：被測(cè)試器件電學(xué)連接不規(guī)范，功率循環(huán)測(cè)試設(shè)備的精度有限，測(cè)試數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)時(shí)間點(diǎn)的選取失誤等等。

功率循環(huán)測(cè)試-控制策略

功率循環(huán)測(cè)試-控制策略

在功率循環(huán)測(cè)試之中，被測(cè)試器件通過自身功率損耗引起的發(fā)熱來(lái)達(dá)到測(cè)試預(yù)設(shè)溫度。其中，器件結(jié)溫與其他參數(shù)的基本關(guān)系可由以下公式概括：

由上可知，測(cè)試所需要的器件結(jié)溫（Tj）可以通過調(diào)整器件的功率損耗（I*V），熱阻（Rth）以及冷卻板溫度（Tc，即殼溫，此處近似為冷卻溫度）來(lái)獲得。同時(shí)，器件導(dǎo)通時(shí)間（ton）也會(huì)對(duì)器件的結(jié)溫有所影響。

在上一講的介紹中，標(biāo)準(zhǔn)的功率循環(huán)測(cè)試即通過下圖的測(cè)試電路實(shí)現(xiàn)。被測(cè)試器件在固定導(dǎo)通時(shí)間，冷卻時(shí)間以及負(fù)載電流的情況下進(jìn)行測(cè)試。由于鍵和線以及焊料層在測(cè)試過程中逐漸老化，器件的功率損耗隨之提升，而器件散熱情況逐漸惡化，兩者結(jié)合造成器件結(jié)溫升高并進(jìn)一步加快器件封裝的損壞速度，最終使器件失效。

功率循環(huán)測(cè)試設(shè)備簡(jiǎn)圖

功率循環(huán)測(cè)試-測(cè)試匯總

然而功率循環(huán)測(cè)試的控制策略并不僅此一種，殼溫Tc，功率損耗Pv以及結(jié)溫Tj皆可通過其他參數(shù)的調(diào)試使之在測(cè)試中保持恒定，用以量度器件在不同操作環(huán)境下的功率循環(huán)壽命。U. Scheuermann以及G. Zeng等人在控制策略的影響方面進(jìn)行了深入的研究。

在U. Scheuermann的研究中，殼溫差（dTc），功率損耗（Pv）與結(jié)溫差（dTj）在測(cè)試過程中分別通過不同的參數(shù)調(diào)試而被固定，其中，器件的初始結(jié)溫差（dTj）都為125開爾文。最終測(cè)試結(jié)果可知，標(biāo)準(zhǔn)的功率循環(huán)測(cè)試相對(duì)于采用其他測(cè)試控制策略的測(cè)試更為嚴(yán)苛，器件的測(cè)試壽命最短。然而，測(cè)試控制策略的類型并未影響器件的失效機(jī)理，器件皆因鍵和線脫落而失效。芯片底部焊料層的情況在U. Scheuermann的研究中并未得到體現(xiàn)。

U. Scheuermann，不同控制策略下功率循環(huán)測(cè)試匯總

U. Scheuermann，不同控制策略下功率循環(huán)測(cè)試的結(jié)果

下圖中的鍵和線由于器件溫度以及電流分布不均造成熔斷。此種現(xiàn)象主要發(fā)生在當(dāng)部分鍵和線已經(jīng)脫落，而殘存的鍵和線無(wú)法負(fù)荷導(dǎo)通電流的情況下。

U. Scheuermann，功率循環(huán)測(cè)試造成的鍵和線失效

在G. Zeng的研究中，功率損耗（Pv）與結(jié)溫差（dTj）在測(cè)試過程中被固定，其所選擇的調(diào)控參數(shù)相對(duì)于U. Scheuermann的研究更為細(xì)化。但是結(jié)溫差dTj=87 K的初始實(shí)驗(yàn)條件相較于U. Scheuermann的125 K差距較大，造成不同的失效機(jī)理（焊料層老化失效），使二者無(wú)法進(jìn)行直接對(duì)比。但相同的是，固定導(dǎo)通、冷卻時(shí)間在G. Zeng的研究中仍然屬于最嚴(yán)苛測(cè)試控制策略。

G. Zeng，不同控制策略下功率循環(huán)測(cè)試匯總

下圖是功率循環(huán)測(cè)試中所得到的監(jiān)測(cè)參數(shù)曲線，可以明顯看出結(jié)溫差（dTj）與熱阻值（Rth）在測(cè)試過程中同步變化，可知器件散熱惡化是造成器件溫度上升的主要因素。此種類型的測(cè)試參數(shù)曲線多出現(xiàn)于結(jié)溫差較低的測(cè)試中。

G. Zeng，標(biāo)準(zhǔn)功率循環(huán)測(cè)試中的參數(shù)監(jiān)測(cè)

芯片底部的焊料層老化可以通過超聲波掃描顯微技術(shù)進(jìn)行直觀的比較。

G. Zeng，功率循環(huán)測(cè)試造成的芯片底部焊料層失效

功率循環(huán)測(cè)試-標(biāo)準(zhǔn)控制策略

通過的已有的研究，可知標(biāo)準(zhǔn)的功率循環(huán)測(cè)試控制策略，即固定導(dǎo)通與冷卻時(shí)間以及負(fù)載電流的方法，可以最快速的得到器件的功率循環(huán)測(cè)試壽命。此種控制策略由于其測(cè)試操作簡(jiǎn)便，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，效率高，貼近于實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景的優(yōu)點(diǎn)，被廣大廠商所采用的。其他類型的測(cè)試控制策略僅存在于特殊的測(cè)試需求中。

同時(shí)，IEC，AQG324等測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)中，固定導(dǎo)通與冷卻時(shí)間的控制策略被列為標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試操作規(guī)范，通過更改測(cè)試控制策略來(lái)延長(zhǎng)器件測(cè)試壽命從而通過測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的手段在此無(wú)法生效。