加強功率模組可靠性，功率循環(huán)/量測系統首當其沖

　　在可預見(jiàn)的將來(lái)，功率電子元件的使用將持續不斷的增加。任何需要電力變換、轉換或控制等功能都須使用各種形式的功率電子元件?，F今功率電子元件已廣泛應用于各種不同的行業(yè)（圖1）?；疑珗A圈所代表的是需要使用功率模組的行業(yè)，如汽車(chē)業(yè)（電動(dòng)車(chē)、混合動(dòng)力車(chē)、燃料電池車(chē)等其他輪式車(chē)）、可再生能源業(yè)（太陽(yáng)能逆變器、風(fēng)力發(fā)電機、太陽(yáng)能電站、衛星太陽(yáng)能面板）、鐵路設施（引擎元件、牽引控制系統）及高階馬達驅動(dòng)器。這些功率電子元件一般由多種絕緣閘雙極性電晶體（IGBT）或金屬氧化物半導體場(chǎng)效電晶體（MOSFET）組成。

　　圖1　功率電子元件的應用?；疑珗A圈表示須使用大功率模組的行業(yè)。在大功率電子行業(yè)中，電動(dòng)汽車(chē)、混合動(dòng)力汽車(chē)及其充電站對功率電子元件的需求都有顯著(zhù)增長(cháng)。

　　功率元件可靠性挑戰倍增

　　對于使用IGBT或功率MOSFET的用戶(hù)而言，可靠性是他們關(guān)注的首要議題。在這些行業(yè)中，產(chǎn)品的高可靠性和長(cháng)使用壽命尤其重要。用戶(hù)期望電動(dòng)車(chē)在連續 15？20年內不出現任何重大維修問(wèn)題；而鐵路產(chǎn)業(yè)則須持續使用至少30年或更久。對于時(shí)常派遣維修人員對離岸風(fēng)力發(fā)電機進(jìn)行維修顯然是不可行的，衛星太陽(yáng)能面板甚至須永久性的使用。

　　熱失效是高可靠性無(wú)法實(shí)現的主因。功率循環(huán)會(huì )使IGBT晶片端產(chǎn)生的熱通過(guò)模組，并散發(fā)到周?chē)h(huán)境中，其產(chǎn)生的應力及熱會(huì )破壞模組。焊線(xiàn)可能因疲勞老化的原因而脫落或斷裂，甚至進(jìn)一步惡化導致完全失效（圖2）。模組的堆疊層，特別是晶片焊接處，會(huì )因熱-結構應力的作用下而脫層并破裂。在完全失效前，這些模組本可承受上萬(wàn)、甚至數以百萬(wàn)的功率循環(huán)次數。

　　圖2　IGBT模組產(chǎn)生故障的原因有很多種，包括焊線(xiàn)老化或脫落。

　　那么，我們如何保證這些模組在其應用領(lǐng)域中能持續使用多年，并耐受成千上萬(wàn)次功率循環(huán)呢？這不僅僅是功率電子模組供應商的責任，亦是相關(guān)產(chǎn)業(yè)供應商皆須克服的難題，無(wú)論是初期零組件供應商，抑或是原始設備制造商（OEM）均責無(wú)旁貸。若所生產(chǎn)的功率模組太早出現損壞的情況，則OEM應該為此負擔保固、產(chǎn)品召回、聲譽(yù)受損等損失。

　　功率模組的可靠性測試并不是一項新的挑戰，但傳統的模組測試過(guò)程非常漫長(cháng)且具有不準確性和不確定性（圖3）。一般可靠性的測試會(huì )將IGBT模組安裝于設備上，并提供規定的安培數進(jìn)行功率循環(huán)的測試。元件在經(jīng)過(guò)多次功率循環(huán)測試（500次、1，000次、5，000 次等）之后，用戶(hù)須將模組從設備上取下送往實(shí)驗室進(jìn)行檢驗，確認是否有無(wú)故障。若沒(méi)有故障則繼續重復該循環(huán)測試直至模組最終失效為止。此時(shí)模組將被再次送往實(shí)驗室進(jìn)行檢查，藉由X光、聲測、目測或破壞性的解剖方式來(lái)確定故障的原因。

　　圖3　傳統的IGBT模組可靠性測試方法耗時(shí)、準確性低，無(wú)法在測試過(guò)程中即時(shí)觀(guān)察到失效的產(chǎn)生，只能確定最后產(chǎn)品是否失效。

　　重復的功率循環(huán)測試和實(shí)驗室檢驗非常耗時(shí)且無(wú)法在測試過(guò)程中即時(shí)觀(guān)察到失效的產(chǎn)生，只能在最后確定元件是否失效。而若因多種不同原因所引起的失效，則可能無(wú)法確定其確切的原因。

　　新的可靠性測試方法應運而生

　　我們需要一種更有效、快速確定失效原因的測試方式。此方法要能在功率循環(huán)測試時(shí)量測模組中的電/熱效應，并即時(shí)發(fā)現失效原因而不是依賴(lài)事后的診斷。為了滿(mǎn)足以上的需求，唯有將功率循環(huán)和量測整合于同一設備中才能實(shí)現，使用戶(hù)毋須將模組從功率循環(huán)測試設備上取出送往實(shí)驗室進(jìn)行失效分析。明導（Mentor Graphics）新推出的MicReD Industrial Power Tester 1500A就能提供這樣的測試環(huán)境。

　　圖4是功率測試設備進(jìn)行功率循環(huán)和即時(shí)量測/診斷的示意圖。該測試設備利用MicRed T3Ster暫態(tài)熱特性技術(shù)對元件進(jìn)行量測（如晶片封裝、LED和系統）。主要特征有：

　　圖4　測試設備整合功率循環(huán)和即時(shí)量測的方法，可即時(shí)監控模組的失效并減少實(shí)驗室的事后分析。

　?。捎糜|控螢幕來(lái)控制、定義模組的特性和測試順序及方法

　　無(wú)論是專(zhuān)家、產(chǎn)品工程師或技術(shù)人員都能簡(jiǎn)單的學(xué)習和使用。軟體能儲存相關(guān)的參數供重復使用，能用來(lái)測試多個(gè)產(chǎn)線(xiàn)上的樣本或產(chǎn)品品質(zhì)可靠性。

　?。?500安培的電源可同時(shí)提供三個(gè)不同的模組進(jìn)行測試，每個(gè)模組可單獨使用的電流高達500安培。

　　電源切換的時(shí)間僅需不到100微秒，這也是T3Ster設備在高準確性暫態(tài)熱特性測試中所要求的速度。

　?。h(huán)測試時(shí)，用戶(hù)可自行定義時(shí)間間隔來(lái)量測、紀錄模組的順向電壓變化，其最大取樣速率高達每秒一百萬(wàn)個(gè)樣本。

　　這些資料都將顯示在觸控螢幕上，并直接產(chǎn)生出結構函數。

　?。逵山Y構函數可即時(shí)分析模組各層結構，并發(fā)現任何因失效所可能產(chǎn)生的變化（晶片或黏接層脫離、破裂等）。

　　這些資訊都能協(xié)助確定失效產(chǎn)生的確切時(shí)間和原因。

　?。踩袝?huì )監測任何潛在的危險因素，如煙、冷卻板液體泄漏、設備過(guò)熱等。

　　一旦偵測到這些因素，測試設備將馬上關(guān)閉所有的電源；但為保存測試資料，不斷電供應系統（UPS）仍將繼續為電腦供電，直至所有資料得到安全保存。

　　結構函數精密分析重要性大增

　　結構函數的數學(xué)運算相當復雜，但值得花時(shí)間了解這相關(guān)的技術(shù)。圖5是一個(gè)典型的模組堆疊層及其對應的結構函數示意圖。在功率循環(huán)測試時(shí)，高功率（最大 1，500安培）會(huì )輸入至元件來(lái)進(jìn)行加熱，待穩態(tài)后則迅速關(guān)閉。依照JESD51-14標準，精細的（微伏）接點(diǎn)正向電壓變化會(huì )被量測紀錄下來(lái)，同時(shí)藉由復雜的數學(xué)演算來(lái)建立出結構函數。

　　圖5　典型的模組堆疊層及其對應的結構函數

　　功率電晶體接點(diǎn)所產(chǎn)生熱會(huì )經(jīng)過(guò)各堆疊層，最終擴散到周?chē)h(huán)境中，而結構函數顯示出元件堆疊層的等效模型，同時(shí)亦表示熱傳導路徑上的熱阻和熱容特性。沿著(zhù)圖中的黑色曲線(xiàn)可了解接點(diǎn)到周?chē)h(huán)境中的整體熱傳路徑，橫軸部分代表堆疊層的熱阻（如晶片焊點(diǎn)、基板焊點(diǎn)及導熱膏），其結構較薄，無(wú)法儲存太多熱量，但熱阻較大。相反地，曲線(xiàn)中相對垂直的部分，則代表有較大熱容的堆疊層（儲熱能力較高，同時(shí)也會(huì )產(chǎn)生一些熱阻），如基板。

　　結構函數會(huì )記錄元件在功率循環(huán)測試過(guò)程中的即時(shí)變化，當發(fā)現結構函數出現變化時(shí)，如圖6中所出現的較長(cháng)的熱阻部分，這表示堆疊層中某一層（這里指的是基板焊錫層）發(fā)生變化。典型的熱阻顯著(zhù)增加可能是因為堆疊層脫層或破裂的關(guān)系，因為空氣的熱傳導能力明顯低于變化前固體的熱傳導能力。

　　圖6　某層（灰線(xiàn)標注）熱阻的增加可能預示著(zhù)該層脫層或破裂。

　　圖 7是個(gè)實(shí)際的例子。該測試中，每五千次的功率循環(huán)測試都會(huì )擷取一次結構函數。從測試開(kāi)始到第一萬(wàn)五千次功率循環(huán)測試后，線(xiàn)1所呈現的線(xiàn)形基本上不變，表明元件無(wú)任何失效或故障。在第二萬(wàn)次功率循環(huán)測試后（線(xiàn)6），我們看到曲線(xiàn)有細微的偏差，這說(shuō)明某層結構的熱阻開(kāi)始升高。在之后的二萬(wàn)五千、三萬(wàn)和三萬(wàn)五千次功率循環(huán)后，線(xiàn)型顯示某層結構出現顯著(zhù)劣化，最后導致元件失效。藉由結合功率循環(huán)與即時(shí)監控結構函數的方式，可以觀(guān)察到失效的產(chǎn)生并確定失效的原因，毋須將元件從測試設備上取出，即能對測試結果進(jìn)行分析診斷。

　　圖7　元件在功率循環(huán)測試三萬(wàn)五千次后明顯失效

　　與傳統測試方法相比，此測試系統具有明顯的優(yōu)勢。傳統方法須要反覆循環(huán)測試、拆卸元件、實(shí)驗室驗證等過(guò)程，非常耗時(shí)且無(wú)法確定故障原因。采用結合系統和結構函數的技術(shù)，用戶(hù)可設置測試順序，并自動(dòng)執行指令，將一開(kāi)始正常的元件進(jìn)行測試，直至產(chǎn)品失效，并能即時(shí)觀(guān)察元件失效或故障的原因。此外，此設備可提供較大的電流，供應多個(gè)元件同時(shí)測試，從而提高處理能力，滿(mǎn)足產(chǎn)品樣本或品質(zhì)測試的需求。

　　擺脫傳統測試方式弊病　結合功率循環(huán)/量測系統勢起

　　此測試設備可廣泛應用于供應鏈中的各廠(chǎng)商，如功率電子模組供應商在模組的設計階段可使用該測試設備。設計完成后的樣本生產(chǎn)過(guò)程中，同樣可使用功率測試設備來(lái)測試樣本的可靠性指標；若無(wú)法通過(guò)測試，則可對產(chǎn)品設計進(jìn)行修改。此外，測試設備還能用來(lái)產(chǎn)生產(chǎn)品資料表上的可靠度規格，在生產(chǎn)過(guò)程的產(chǎn)品抽驗也能使用此設備。

　　初期元件供應商可使用功率測試設備，以驗證功率電子供應商所提供的可靠度規格，對原始設計進(jìn)行測試。最后，高可靠度產(chǎn)品的制造商可藉此設備，以進(jìn)行最終的合格性測試，保證公司產(chǎn)品的高品質(zhì)。