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圖 1：2018 年前 IGBT 市場與應(yīng)用的增長預(yù)測

圖 2 顯示了目前 HEV 內(nèi)部典型的電力電子設(shè)備：具有相應(yīng)液冷系統(tǒng)的 IGBT 功率模塊、變流器、逆變器、高壓電池和電機(jī)等。

圖 2：HEV 內(nèi)的電力電子器件

本白皮書通過 IGBT 模塊示例來說明如何解決這個難題。

高載荷和長壽命要求下的可靠性挑戰(zhàn)

電力電子器件（例如 MOSFET、二極管、晶體管和 IGBT）被廣泛應(yīng)用在消費(fèi)市場和工業(yè)應(yīng)用中各種發(fā)電、變電和控電等高能量要求的場合，且近年來的需求不斷增加。功率模塊制造商所面臨的挑戰(zhàn)是既要提高產(chǎn)品的最大功率水平和電流負(fù)載能力，同時又要保證產(chǎn)品的高質(zhì)量和高可靠性。隨著能源載荷需求方面的壓力增大，電力電子設(shè)備領(lǐng)域也在不斷創(chuàng)新，產(chǎn)生了不少新技術(shù)，例如直接鍵合銅基底技術(shù)（其熱傳遞系數(shù)得到顯著增強(qiáng)），帶式鍵合技術(shù)（用于取代粗封裝鍵合線），以及無焊料芯片粘接技術(shù)（用于增強(qiáng)模塊的功率循環(huán)能力）等。這些新基底有助于降低設(shè)備溫度，載帶可承載更大的電流，而無焊料芯片粘接可采用銀燒結(jié)漿料，其熱阻值更低。所有這些技術(shù)進(jìn)步在有效改善了設(shè)備的導(dǎo)熱路徑，從而提高了設(shè)備性能。但是，這些系統(tǒng)上的熱應(yīng)力和熱-機(jī)械應(yīng)力仍然會造成功率循環(huán)和熱效應(yīng)方面的故障。這些應(yīng)力可能導(dǎo)致的問題包括封裝鍵合線退化（圖 3）、固晶焊疲勞、疊層分層、芯片或基底破裂等。

圖 3：發(fā)生熱損傷的 IGBT 模塊

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(shí)驗(yàn)室里對封裝的內(nèi)部狀況進(jìn)行分析。

采用功率測試器來提高測試和診斷速度

電力電子設(shè)備傳統(tǒng)的“事后”失效分析成本高昂，而可能的替代解決方案則是 MicReD 工業(yè)級 Power Tester 1500A。這是目前唯一專為制造流程及實(shí)驗(yàn)室環(huán)境設(shè)計的檢測設(shè)備，能夠自動進(jìn)行功率循環(huán)，同時生成分析用熱數(shù)據(jù)用于實(shí)時的失效過程診斷（圖 4）。此外，它還可用于使用壽命測試，檢測電力電子模塊所在應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性。

圖 4：Power Tester 1500A 專為產(chǎn)品研發(fā)和制造環(huán)境而設(shè)計

Power Tester 1500A 是一款功能強(qiáng)大的工業(yè)級檢測儀器，采用歷經(jīng)考驗(yàn)、高度準(zhǔn)確的 MicReD T3Ster. 熱測量和熱特征提取技術(shù)，可以增強(qiáng)電子元件、LED、PCB 系統(tǒng)和大功率電子設(shè)備的功能。Power Tester 1500A 的獨(dú)特之處在于能夠在一臺機(jī)器上同時進(jìn)行全自動熱功率測試和循環(huán)，而在此過程中無需拆卸下受測器件。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，也便于失效分析工程師在實(shí)驗(yàn)室中使用（圖 5）。

圖 5：Power Tester 1500A 觸摸屏界面（從左到右）：主屏幕、器件創(chuàng)建、在冷板上放置器件

在分析 MOSFET、IGBT 和通用雙極器件時，Power Tester 1500A 可以感測電流、電壓和芯片溫度，并使用MicReD 的“結(jié)構(gòu)函數(shù)” 來隨時記錄封裝結(jié)構(gòu)中的變化或故障。本機(jī)可用于增強(qiáng)和加速電力電子封裝開發(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(shí)時的結(jié)構(gòu)函數(shù)分析會顯示電力電子設(shè)備的故障過程、循環(huán)數(shù)和故障原因，從而省去事后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)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)測試以估算產(chǎn)品降級對應(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(shí)存在。受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。

借助 Power Tester 1500A，電力電子產(chǎn)品供應(yīng)商可以為客戶設(shè)計出可靠性更高的電力電子封裝，并能提供相應(yīng)的可靠性規(guī)范。元器件設(shè)計商和制造商則可以驗(yàn)證供應(yīng)商的可靠性規(guī)范并鑒定封裝的可靠性。對于使用壽命長、可靠性要求高的電力電子封裝產(chǎn)品，設(shè)計和制造人員將能夠進(jìn)行系統(tǒng)級別的測試。

Power Tester 1500A 在設(shè)計上符合 JEDEC 標(biāo)準(zhǔn) JESD-51-1 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)可提供熱傳導(dǎo)路徑的等效模型（采用熱阻和熱電容表達(dá)），用于檢測結(jié)構(gòu)性失效或捕捉熱傳導(dǎo)路徑中局部熱阻的變化。Power Tester 1500A 還支持 JEDEC 標(biāo)準(zhǔn) JESD-51-14 瞬態(tài)雙界面測量以確定 R_thJC 值。功率循環(huán)和 R_th 測量模式的組合流程會在進(jìn)行功率循環(huán)的器件上產(chǎn)生應(yīng)力，它會在循環(huán)期間定期測量 R_th 值、監(jiān)控系統(tǒng)參數(shù)（例如電壓和電流）變化，并根據(jù)需要自動增加 R_th 值的測量頻率。

Power Tester 1500A 生成的測試數(shù)據(jù)和特征提取數(shù)據(jù)還可用于對熱仿真軟件 FloTHERM 和 FloEFD 中詳細(xì)的計算流體動力學(xué) (CFD) 模型進(jìn)行校準(zhǔn)和驗(yàn)證，從而實(shí)現(xiàn)更加準(zhǔn)確的流體流動和熱仿真結(jié)果。

通過循環(huán)使用壽命實(shí)時測試 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值盡可能保持較低水平，創(chuàng)造穩(wěn)定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 6）。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 6：典型 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(diǎn)中散發(fā)的熱量對這些元器件的可靠性會有很大影響。器件工作過程中的高結(jié)溫和高溫度梯度會引起熱-機(jī)械應(yīng)力，在熱膨脹系數(shù)不同的兩種材料接觸面上尤其明顯，而這可能導(dǎo)致這些元器件降級甚至完全失效。

我們對四個包含兩個半橋的中功率 IGBT 模塊進(jìn)行了兩次測試，以驗(yàn)證可通過元器件自動功率循環(huán)獲得的豐富數(shù)據(jù)。這些實(shí)驗(yàn)的詳細(xì)信息先后在 2013 年 IEEE 電子封裝技術(shù)大會和 2014 年半導(dǎo)體熱計量與管理(SEMI-THERM) 研討會上介紹過。

這些模塊被固定在 Power Tester 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(shí)驗(yàn)過程中，我們通過 Power Tester 1500A 控制的液冷循環(huán)器將冷板溫度始終保持在 25 °C。

我們將器件的柵極連接到了漏極（即所謂的“金屬氧化物半導(dǎo)體”- MOS 二極管設(shè)置），同時對各個半橋使用單獨(dú)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(shí)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。

在這四個受測器件中，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 7 顯示了樣品 0 的瞬態(tài)熱測試（每

5,000 次循環(huán)測量一次）生成的結(jié)構(gòu)函數(shù)。位于 0.08 Ws/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(diǎn)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。雖然導(dǎo)致器件失效的直接原因仍然不明，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。

圖 7：樣品 0 在不同時間點(diǎn)的控制測量值對應(yīng)的結(jié)構(gòu)函數(shù)

在第二組測試中，我們分別采用不同的供電策略（由 Power Tester 1500A 提供支持）對完全相同的樣品進(jìn)行了測試。模塊中的兩個半橋分別安裝在同一塊基板的不同基底上。三個器件均采用兩種封裝進(jìn)行了測試，其中受測器件中的 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 則保持恒定的結(jié)溫變化。選擇的設(shè)置能夠?yàn)樗衅骷峁┫嗤某跏冀Y(jié)點(diǎn)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 Power Tester 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：

1. 加熱電流開啟后的器件電壓

2. 上一循環(huán)中施加的加熱電流

3. 功率階躍

4. 加熱電流關(guān)閉后的器件電壓

5. 加熱電流開啟前的器件電壓

6. 上一功率循環(huán)期間的最高結(jié)溫

7. 上一功率循環(huán)期間的最低結(jié)溫

8. 上一循環(huán)中的溫度波動

9. 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 10A 加熱電流完成 250 次循環(huán)后，我們對器件從通電穩(wěn)態(tài)到斷電穩(wěn)態(tài)之間的全程熱瞬態(tài)變化進(jìn)行了測量，用以創(chuàng)建可對熱量累積中發(fā)生的降級進(jìn)行研究的結(jié)構(gòu)函數(shù)。同樣，實(shí)驗(yàn)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?yàn)樵谄骷导夁^程中我們沒有對供電功率進(jìn)行任何調(diào)節(jié)。但有趣的是，在該熱結(jié)構(gòu)中并沒有顯示任何降級跡象（圖 8）。

圖 8：IGBT1 在功率循環(huán)期間的結(jié)構(gòu)函數(shù)變化

我們對實(shí)驗(yàn)過程中的器件電壓變化進(jìn)行了檢查。圖 9 顯示了 IGBT1 在加熱電流水平的正向電壓變化與已完成的功率循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系。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 9：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?yàn)榻Y(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)增加是因?yàn)殡S著封裝鍵合線數(shù)量的減少，封裝鍵合線熱阻的并聯(lián)電阻之和在不斷增大。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 10 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 10：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(shí)驗(yàn)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。第一組實(shí)驗(yàn)采用的是恒定循環(huán)時間，最貼切地反映了實(shí)際的應(yīng)用情況，實(shí)驗(yàn)證明 Power Tester 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(shí)驗(yàn)清楚地證明封裝鍵合線出現(xiàn)了降級現(xiàn)象，因?yàn)槲覀冇^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。假以時日，如果增加樣本數(shù)量，一定會提供更多的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。但是，在 Power Tester 1500A 實(shí)驗(yàn)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(shí)際的使用壽命。

結(jié)論

高可靠性一直是電動汽車和混合動力汽車行業(yè)（對大功率電子設(shè)備依賴性強(qiáng)）關(guān)注的首要問題。而對于元器件供應(yīng)商、系統(tǒng)供應(yīng)商和 OEM 廠商而言，加快對電力電子設(shè)備模塊進(jìn)行循環(huán)使用壽命測試是必不可少的工作。MicReD Power Tester 1500A 可為 IGBT 模塊供電并進(jìn)行從數(shù)萬次到數(shù)百萬次的循環(huán)實(shí)驗(yàn)，同時提供實(shí)時的失效過程診斷。

如上述示例所示，使用 Power Tester 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。這樣不僅可以顯著縮短測試時間和實(shí)驗(yàn)室診斷時間，而且也無需進(jìn)行事后分析或破壞性失效分析。