如何提高功率電子模塊的可靠性？

　　在可預見(jiàn)的將來(lái)，功率電子組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需使用各種形式的功率電子組件。如圖1所示，功率電子組件廣泛應用于各種不同的行業(yè)。紅色圓圈所代表的是需要使用功率模塊的行業(yè)，如汽車(chē)業(yè)(電動(dòng)汽車(chē)、混合動(dòng)力汽車(chē)、燃料電池汽車(chē)等其他輪式汽車(chē))、可再生能源業(yè)(光伏逆變器、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(引擎組件、牽引控制系統)、以及高端馬達驅動(dòng)器。這些功率電子組件一般由多種IGBT(絕緣柵雙極晶體管)或功率MOSFET(金屬氧化物半導體場(chǎng)效晶體管)組成。

　　圖1 功率電子組件的應用。紅色圓圈表示需使用大功率模塊的行業(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組件的需求都有顯著(zhù)增長(cháng)。(來(lái)源：法國市場(chǎng)調研機構YoleDeveloppement.)

　　可靠性挑戰

　　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至20年內不出現任何重大維修問(wèn)題，而鐵路產(chǎn)業(yè)則需持續使用至少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)面板甚至需永久性的使用。熱失效是高可靠性無(wú)法實(shí)現的主要原因。功率循環(huán)會(huì )使IGBT芯片端產(chǎn)生的熱通過(guò)模塊并散發(fā)到周?chē)h(huán)境中，其產(chǎn)生的應力及熱會(huì )破壞模塊。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。模塊的封裝內部層次，特別是芯片焊接處會(huì )因熱-結構應力的作用下而脫層并破裂。在完全失效前，這些模塊本可承受上萬(wàn)、甚至數以百萬(wàn)的功率循環(huán)次數。

　　那么，我們如何保證這些模塊在其應用領(lǐng)域中能持續使用多年并且耐受成千上萬(wàn)次功率循環(huán)呢?這不僅僅是功率電子模塊供貨商的責任，也是相關(guān)產(chǎn)業(yè)供貨商都必須克服的難題，無(wú)論是初期零組件供貨商，抑或是最終產(chǎn)品的代工廠(chǎng)(O E M)都責無(wú)旁貸。若所生產(chǎn)的功率模塊太早出現損壞的情況，則O E M廠(chǎng)應該為此負擔保固、產(chǎn)品召回和聲譽(yù)受損等損失。

　　功率模塊的可靠性測試并不是一項新的挑戰，但傳統的模塊測試過(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模塊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。組件在經(jīng)過(guò)多次功率循環(huán)測試(500次、1000次、5000次等)之后，用戶(hù)須將模塊從設備上取下送往實(shí)驗室進(jìn)行檢驗，確認是否有故障。若沒(méi)有故障則繼續重復該循環(huán)測試直至模塊最終失效為止。此時(shí)模塊將被再次送往實(shí)驗室進(jìn)行檢查，借由X光探傷、超聲波檢測、光學(xué)檢測或破壞性的解剖方式來(lái)確定故障的原因。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)程中實(shí)時(shí)觀(guān)察到失效的產(chǎn)生，只能在最后確定組件是否失效。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。

　　圖3 傳統的IGBT模塊可靠性測試方法耗時(shí)、準確性低，無(wú)法在測試過(guò)程中實(shí)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

　　新的可靠性測試方法

　　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)量測模塊中的電/熱效應，并實(shí)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)和測試整合于同一設備中才能實(shí)現，使用戶(hù)無(wú)須將模塊從功率循環(huán)測試設備上取出送往實(shí)驗室進(jìn)行失效分析。Men tor Graphic s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)和實(shí)時(shí)測試/診斷的示意圖。該測試設備利用MicRed T3Ster瞬時(shí)熱特性技術(shù)對組件進(jìn)行量測(如芯片封裝、LED和系統)。主要特征有：

　　1) 采用觸控屏幕來(lái)控制、定義模塊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。軟件能存儲相關(guān)的參數供重復使用，能用來(lái)測試多個(gè)在線(xiàn)的樣本或產(chǎn)品質(zhì)量可靠性。

　　2) 1500A的電源可同時(shí)提供三個(gè)不同的模塊進(jìn)行測試，每個(gè)模塊可單獨使用的電流高達500A.電源切換的時(shí)間僅需不到100μs,這也是T3Ster設備在高準確性瞬時(shí)熱特性測試中所要求的速度。

　　3) 循環(huán)測試時(shí)，用戶(hù)可自行定義時(shí)間間隔來(lái)測試、記錄模塊的正向電壓變化，其最大采樣率高達到每秒100萬(wàn)個(gè)樣本。這些數據都將顯示在觸控屏幕上并直接產(chǎn)生出“結構函數”。

　　4) 使用結構函數可實(shí)時(shí)分析模塊各層結構，并發(fā)現任何因失效所可能產(chǎn)生的變化(芯片或黏接層脫離、破裂等)。這些信息都能協(xié)助確定失效產(chǎn)生的確切時(shí)間和原因。

　　5) 安全功能控制盒會(huì )監測任何潛在的危險因素，例如：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。但為了保存測試數據，不間斷電源(UPS)仍將繼續為計算機供電，直至所有數據得到安全保存。

　　結構函數的精密分析

　　結構函數的數學(xué)運算相當復雜，但值得花時(shí)間來(lái)了解這相關(guān)的技術(shù)。圖5是一個(gè)典型的模塊封裝內部層次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1500A)會(huì )輸入至組件來(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)結正向電壓變化會(huì )被量測記錄下來(lái)，同時(shí)借由復雜的數學(xué)演算來(lái)建立出結構函數。

　　

　　功率晶體管結所產(chǎn)生的熱會(huì )經(jīng)過(guò)各堆棧層，最終擴散到周?chē)h(huán)境中，而結構函數顯示出模塊封裝內部層次的等效模型，同時(shí)也表示熱傳導路徑上的熱阻和熱容特性。沿著(zhù)圖中的藍色曲線(xiàn)可了解結點(diǎn)到周?chē)h(huán)境中的整體熱傳路徑，橫軸部分代表模塊封裝內部層次的熱阻(如芯片焊點(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棧層(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 )記錄組件在功率循環(huán)測試過(guò)程中的實(shí)時(shí)變化，當我們發(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，這表示模塊封裝內部層次中某一層(這里指的是基板焊錫層)發(fā)生變化。典型的熱阻顯著(zhù)增加可能是因為封裝內部層次脫層或破裂的關(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7是個(gè)實(shí)際的例子。該測試中，每5000次的功率循環(huán)測試都會(huì )得到一次結構函數。從測試開(kāi)始到第15 000次功率循環(huán)測試后，綠色線(xiàn)所呈現的線(xiàn)形基本上不變，表明組件無(wú)任何失效或故障。在第20 000次功率循環(huán)測試后(橙色線(xiàn))，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25 000、30 000和35 000次功率循環(huán)后，線(xiàn)形顯示某層結構出現顯著(zhù)劣化，最后導致組件失效。借由結合功率循環(huán)與實(shí)時(shí)監控結構函數的方式，我們可以觀(guān)察到失效的產(chǎn)生并確定失效的原因，無(wú)須將組件從測試設備上取出便能對測試結果進(jìn)行分析診斷。

　　

　　圖7 組件在功率循環(huán)測試35000次后明顯失效

　　結合功率循環(huán)/量測系統的優(yōu)點(diǎn)

　　與“傳統”測試方法相比，此測試系統具有明顯的優(yōu)勢。傳統方法需要反復循環(huán)測試、拆卸組件、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)始正常的組件進(jìn)行測試，直至產(chǎn)品失效，并能實(shí)時(shí)觀(guān)察組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)組件同時(shí)測試，從而提高處理能力，滿(mǎn)足產(chǎn)品樣本或質(zhì)量測試的需求。

　　此測試設備可廣泛應用于供應鏈中的各廠(chǎng)商。例如，功率電子模塊供貨商在模塊的設計時(shí)間可使用該測試設備。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)品數據表上的可靠度規格，在生產(chǎn)過(guò)程的產(chǎn)品抽驗也能使用此設備。初期零組件供貨商可使用功率測試設備來(lái)驗證功率電子供貨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)品的制造商可借此設備來(lái)進(jìn)行最終的合格性測試，以保證公司產(chǎn)品的高質(zhì)量。