利用功率循環(huán)測試以分析汽車(chē)IGBT芯片的材料性能
隨著(zhù)能量載荷壓力的不斷增加,功率電子設備創(chuàng )新帶來(lái)了一些新的技術(shù),例如使用能夠增強熱傳遞系數的直接鍵合銅基板、改進(jìn)的互連技術(shù)(粗封裝鍵合線(xiàn)、帶式鍵合等)和無(wú)焊料芯片粘接技術(shù),來(lái)增強模塊的循環(huán)功能。這些新的基板有助于降低溫度,載帶可載荷更大的電流,而且無(wú)焊料芯片粘接可以是燒結的銀,具有特別低的熱阻。所有這些事實(shí)上都有助于改善器件中的熱路徑。但是,這些系統上的熱應力和熱機應力仍然會(huì )造成相關(guān)的功率循環(huán)和散熱故障。這些應力可能會(huì )導致很多問(wèn)題,如封裝鍵合線(xiàn)降級、芯片粘接疲勞、疊層分層以及芯片或基板破裂。
本文引用地址:http://dyxdggzs.com/article/201612/333267.htm結點(diǎn)中散發(fā)的熱量是可能影響 IGBT 芯片中所用的芯片粘接材料可靠性的主要因素之一。功率循環(huán)測試是模擬模塊壽命期的理想選擇,因為與 IGBT 模塊對應的開(kāi)關(guān)循環(huán)次數可根據目標應用預測。
本文描述功率循環(huán)測試和瞬態(tài)熱測試的組合實(shí)驗,在此實(shí)驗中我們使器件經(jīng)受功率循環(huán),從而產(chǎn)生故障,然后在不同的穩態(tài)之間執行瞬態(tài)熱測試,以此確定 IGBT 小樣品的故障原因。這些類(lèi)型的測試為正確地重新設計模塊的物理結構提供支持,如果需要,它還可充當熱機應力仿真的輸入。
我們的目標是利用可復制的流程研究當前 IGBT 模塊中出現的常見(jiàn)故障模式。但是,這些測試的數量并未高到足以預測壽命期,我們只是通過(guò)這些測試來(lái)檢查 IGBT 芯片中的降級流程。我們首先對樣品進(jìn)行瞬態(tài)熱測試。試驗測量結果顯示,器件在不同穩態(tài)之間的熱瞬態(tài)為 180 秒。在器件上利用 10 A 的驅動(dòng)電流達到熱穩態(tài),當我們開(kāi)始采集數據時(shí)它轉換成 100 mA 的傳感器電流。
圖 1 顯示了描述樣品最初的“健康”狀態(tài)的熱瞬態(tài)函數。利用此曲線(xiàn)和相應的結構函數作為封裝的詳細數值表示的校準基礎。結構函數是一維縱向熱流的直接模型。在很多常用的三維幾何形狀中,結構函數是“本質(zhì)”一維熱流的直接模型,例如圓盤(pán)中的徑向擴散(極坐標系中的一維流)、球面擴散、錐形擴散等。這樣,結構函數可用于大致地識別幾何形狀/材料參數。結構函數可通過(guò)加熱曲線(xiàn)或冷卻曲線(xiàn)的直接數學(xué)變換獲得。這些曲線(xiàn)可從測量結果或仿真熱路徑的詳細結構模型中獲得。
圖 1:研究 IGBT 的瞬態(tài)熱響應。
創(chuàng )建熱仿真模型
我們隨后會(huì )構建并驗證模塊的詳細三維模型,以便分析結構內部的溫度分布。在所有器件發(fā)生故障并拆解模塊之后,再測量幾何參數。圖 2 中顯示了模型布局(圖 3 中顯示的是疊層結構)。
這樣,我們可以確仿真模型的行為方式與實(shí)際器件完全相同,然后我們進(jìn)行材料參數調節,直到從仿真瞬態(tài)結果獲得的結構函數與源自經(jīng)驗的結構函數相擬合。這個(gè)流程需要進(jìn)行多次迭代。
圖 2:仿真模型的布局。
圖 3:IGBT 模塊的疊層結構。
根據測得的幾何形狀以及對材料參數的最佳猜想創(chuàng )建的基線(xiàn)模型顯示,熱瞬態(tài)行為與實(shí)際器件存在明顯差異。此類(lèi)偏差可通過(guò)校準模型并連續地完善模型數據予以消除。我們通過(guò)擬合從模型的熱瞬態(tài)仿真獲得的結構函數(圖 4 中的紅色曲線(xiàn))與實(shí)際器件的測量結果生成的結構函數(藍色曲線(xiàn))實(shí)現這一目的。
圖 4:基線(xiàn)模型的仿真結果。
接下來(lái),我們開(kāi)始通過(guò)擬合封裝的內部功能來(lái)校準器件。然后,我們沿熱流路徑方向從封裝向外,連續地擬合不同區域的熱容和熱阻值。為了正確地調節芯片電容,我們要確保芯片的物理尺寸正確無(wú)誤,并正確地設置熱源。在這種情況下,我們需要增加受熱面積,直到芯片區域的電容值在結構函數中互相重疊。
然后,我們需要確保將陶瓷層的熱阻設置為適當的水平。隨著(zhù)陶瓷熱導率的升高,結構函數中對應的熱阻部分可能會(huì )降低以產(chǎn)生新擬合部分。在此之后,我們將器件與冷板之間的銅皮和熱學(xué)界面材料 (TIM) 設置為適當的熱導率以正確地匹配曲線(xiàn)(圖 5)。
圖 5:模型校準之后的仿真(藍色)和測量(紅色)瞬態(tài)的結構函數。
在功率測試儀中運行器件
只要記錄了 IGBT 熱結構的初始狀態(tài),器件就可以接受可靠性測試以評估其長(cháng)期行為。我們將所選的 IGBT 模塊固定到帶有導熱墊的水冷式冷板上。與大部分導熱膏和導熱硅脂相比,導熱墊的導熱性較差,但是它在早前的實(shí)驗中顯示出了極佳的熱穩定性,因此不會(huì )影響測得的結果。冷板溫度設置為 25 °C。
測試中的模塊包含兩個(gè)半橋模塊,即四個(gè) IGBT。將器件的門(mén)級連接到漏極,同時(shí)半橋模塊使用單獨的驅動(dòng)電路供電(見(jiàn)圖 6)。所有 IGBT 連接到瞬態(tài)熱測試儀設備的獨立通道。
圖 6:用于功率循環(huán)和瞬態(tài)熱測量的 IGBT 電氣連接。
我們決定在測試中對器件應用 100 °C 的變溫以加速功率循環(huán)流程。選擇此值是為了確保最高結溫為 125 °C,這是器件允許的最高溫度。我們將應用于模塊的功率最大化以縮短循環(huán)時(shí)間,并選擇適當的時(shí)機達到 100 °C 的目標變溫。IGBT 模塊可處理高達 80 A 的電流,但是由于器件的壓降很高,額定功率就變成了限制因素。根據先前的試驗測量,可選擇 25 A 的加熱電流。
我們需要使用 200 W 的功率加熱 3 秒使芯片預熱到 125 °C。設置的冷卻時(shí)間應可確保芯片有足夠的時(shí)間冷卻下來(lái),且平均溫度在測試過(guò)程中不會(huì )發(fā)生變化。圖 7 顯示了時(shí)序圖和溫度分布圖。
圖 7:功率循環(huán)期間的加熱功率和結溫切換圖。
無(wú)論發(fā)生壓降變化還是熱阻升高,應用的加熱電流和測定時(shí)間在整個(gè)測試流程中均保持恒定。記錄每個(gè)循環(huán)中的器件冷卻瞬態(tài),這樣就能夠連續地監測結溫變化。每經(jīng)過(guò) 200 個(gè)循環(huán),使用 10A 加熱電流執行一次全長(cháng)瞬態(tài)測量,以檢查熱流路徑的結構完整性。
門(mén)級氧化層損壞引發(fā)的故障#e#
門(mén)級氧化層損壞而非封裝鍵合線(xiàn)缺陷引發(fā)的故障
在我們的實(shí)驗中,我們會(huì )繼續功率循環(huán),直到器件完全無(wú)法工作(短路或斷路)。這就是我們的故障標準。在被測的四個(gè) IGBT 器件中,有一個(gè)器件(樣品 3)發(fā)生故障明顯地早于其他器件,只經(jīng)過(guò) 10,158 個(gè)功率循環(huán)(圖 8)。這種過(guò)早發(fā)生故障的原因可能是在冷板中安裝不當或其他隨機錯誤。其他三個(gè)器件,即樣品 0、1 和 2 顯示出相似的行為,分別在經(jīng)過(guò) 40,660、41,476 和 43,489 個(gè)循環(huán)后發(fā)生故障。
圖 8:器件發(fā)生故障之前應用的功率循環(huán)數量。
在所有 IGBT 都發(fā)生故障之后,我們會(huì )拆解模塊并檢查芯片和封裝鍵合線(xiàn)的狀況。圖 9 是其中一個(gè)芯片的照片,顯示在測試期間有多條封裝鍵合線(xiàn)斷裂,芯片表面有一個(gè)區域發(fā)生燒灼,這可能是應用高電流時(shí)線(xiàn)路脫開(kāi)形成的電弧造成的。
圖 9:斷裂封裝鍵合線(xiàn)和燒灼芯片表面的照片。
盡管封裝鍵合線(xiàn)出現明顯的缺陷,但是中斷的封裝鍵合線(xiàn)并未造成器件故障。所有芯片的故障都是過(guò)熱和門(mén)級氧化層損壞導致的。這些效應隨后通過(guò)電氣測試進(jìn)行檢查和跟蹤:封裝鍵合線(xiàn)破裂可通過(guò) VCE(集電極-發(fā)射極)電壓升高指示,門(mén)級氧化層損壞可造成 IG(門(mén)級漏電)升高。設計 IGBT 功率循環(huán)設備時(shí),應當測量這些參數。
此外,還需要調查基板和底板之間的結點(diǎn)以及芯片粘接,以便了解過(guò)熱來(lái)源,這是我們需要校準仿真模型的原因。圖 10 顯示了使用校準后的詳細模型仿真加熱期結束時(shí),兩個(gè)相鄰 IGBT 的溫度分布。相鄰芯片之間的熱耦合可以忽略不計;因此,可以單獨地調查每個(gè)芯片。
圖 10:3 秒鐘之后一個(gè)半橋模塊的仿真溫度分布。
由于加熱時(shí)間短,基板-底板連接的最大溫升為 71 °C,但是芯片粘接溫度升高超過(guò) 100 °C。這種結果表明,結構中最易受損的地方是芯片粘接材料。
定期測量的熱瞬態(tài)值允許我們根據應用的不同功率循環(huán)次數生成結構函數。圖 11 顯示產(chǎn)生的功率循環(huán)對每 5,000 個(gè)循環(huán)對應的結構函數的影響。在第一個(gè)電容階躍之后,平坦區域對應于芯片粘接材料。結構在 17,000 個(gè)循環(huán)之前保持穩定;但是,在此之后,芯片粘接材料明顯發(fā)生降級,并且其阻抗連續升高直至器件發(fā)生故障。
圖 11:樣品 0 對應于不同時(shí)間點(diǎn)的控制測量結果的結構函數。
如圖 12 中所示,讀取的芯片粘接層熱阻除以系統的初始結-環(huán)境阻抗,并繪制為功率循環(huán)的函數。此計算可確認該層在 15,000 個(gè)循環(huán)之后迅速開(kāi)始降級。熱路徑的變化極其顯著(zhù),因為芯片粘接材料發(fā)生了極大的變化,在后一個(gè)結構元件中無(wú)法調查。但是,后一部分中的降級也可合理預測,只不過(guò)它們與芯片粘接材料的問(wèn)題相比可忽略不計。
圖 12:初始狀態(tài)下的芯片粘接層熱阻與結-環(huán)境熱阻對比。
大約 20,000 個(gè)循環(huán)后,芯片粘接層的降級影響變得很明顯,在大約 10,000 個(gè)循環(huán)內,樣品的結-環(huán)境總熱阻由于循環(huán)而倍增。在 30,000 個(gè)循環(huán)后,我們無(wú)法確定芯片粘接層的熱阻,因為熱擴散路徑發(fā)生了變化。
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