功率循環(huán)測試助力車(chē)用IGBT性能提升

　　汽車(chē)功率電子組件（例如IGBT）的設計必須能負荷數千小時(shí)的工作時(shí)間和上百萬(wàn)次的功率循環(huán)，同時(shí)得承受高達 200℃的溫度。因此產(chǎn)品的可靠性特別關(guān)鍵，而同時(shí)故障成本也會(huì )是一個(gè)很大的問(wèn)題。隨著(zhù)工業(yè)電子系統對能量需求的增加，汽車(chē)功率電子設備和組件的供貨商所面臨的最大挑戰就是提供汽車(chē)OEM業(yè)者所需更高可靠度的系統。

　　隨著(zhù)越來(lái)越高的能量負載壓力，功率電子創(chuàng )新帶來(lái)了一些新的技術(shù)，例如使用能夠增加熱傳導系數的直接鍵合銅基板、優(yōu)越的互連技術(shù)（粗封裝鍵合線(xiàn)、帶式鍵合等）和無(wú)焊料芯片粘貼技術(shù)，都是用來(lái)增強模塊的循環(huán)能力。這些新的基板有助于降低溫度，金屬帶可負載更大的電流，而且無(wú)焊料芯片粘貼可以是燒結的銀，具有特別低的熱阻。

　　所有的技術(shù)都有助于改善組件中的熱傳路徑。但是，功率循環(huán)過(guò)程和熱效應所產(chǎn)生的熱及熱機械應力仍然會(huì )造成系統故障。這些應力可能會(huì )導致很多問(wèn)題，如封裝鍵合線(xiàn)降級、黏貼層疲勞、堆棧脫層以及芯片或基板破裂。

　　結點(diǎn)位置的熱消散是影響IGBT芯片可靠性的主要因素之一，特別是芯片的粘貼層材料。功率循環(huán)測試是仿效模塊生命周期的理想方式，因根據所應用的領(lǐng)域，IGBT模塊的切換次數是可被預測。

　　本文主要描述結合功率循環(huán)測試和熱瞬態(tài)測試的測量研究，在此試驗中主要是利用功率循環(huán)測試造成組件故障，同時(shí)在不同的穩態(tài)之間進(jìn)行熱瞬態(tài)測量，用以確定IGBT樣品的故障原因。這類(lèi)型的測試能適當協(xié)助重新設計模塊的物理結構，此外根據需求，它還可以模擬熱機械應力的輸入。

　　測試的主要目的是利用可重復性的流程來(lái)研究當前IGBT模塊中常出現的故障模式。然而，這些測試的數量并不足以預測產(chǎn)品的壽命期，但我們能藉此了解并試驗 IGBT芯片中的降級過(guò)程。我們首先對樣品進(jìn)行熱瞬態(tài)測試，測量結果顯示，組件在熱瞬態(tài)試驗過(guò)程中，不同穩態(tài)之間所需要的時(shí)間為180秒。組件在輸入 10A的驅動(dòng)電流時(shí)可達到最高溫，接著(zhù)在開(kāi)始測量時(shí)則切換至100mA的感測電流。

　　圖1顯示樣品在最初「健康」狀的校準基礎。結構函數是一維、縱向態(tài)下的熱瞬態(tài)函數。此曲線(xiàn)和相對應熱傳的模型。在許多常用的三維幾何的結構函數可作為封裝結構詳細數值形狀中，結構函數是「實(shí)質(zhì)」的一維熱傳模型，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。

　　圖1 IGBT的熱瞬態(tài)反應。

　　因此結構函數可概括地辨認出外型/材料參數。結構函數可藉由加熱或冷卻曲線(xiàn)的數學(xué)計算直接轉換求得。這些曲線(xiàn)可從實(shí)際測量結果或利用詳細的結構模型仿真熱傳路徑來(lái)獲得。

　　創(chuàng )建熱仿真模型

　　接著(zhù)我們建立并驗證詳細的三維（3D）模型以便分析結構內部的溫度分布。所有的幾何參數都會(huì )在組件發(fā)生故障并拆解后進(jìn)行測量。圖2是仿真模型的外觀(guān)（圖3是其剖面結構）。我們藉由調整材料參數，直到瞬態(tài)仿真結果所產(chǎn)生的結構函數與測量結果的結構函數相重合，如此一來(lái)我們可以確保所建立的模型運作方式與實(shí)際組件完全相同。此流程需要進(jìn)行多次的反復計算。

　　圖 2 仿真模型的外觀(guān)。

　　圖3 IGBT模塊結構圖。

　　依據所測量的幾何外型以及對材料參數的猜測所創(chuàng )建的基礎模型顯示，熱瞬態(tài)的傳遞路徑與實(shí)際組件有明顯差異。此類(lèi)偏差可藉由校準模型且不斷地改善模型參數予以排除。最后可將瞬態(tài)仿真所獲得的結構函數（圖4中的紅色曲線(xiàn)）與實(shí)際組件的測量結果產(chǎn)生的結構函數（藍色曲線(xiàn)）相互重迭。

　　圖4 基礎模型的仿真結果。

　　接著(zhù)利用合適的封裝內部特征來(lái)校準組件，然后沿著(zhù)向外的熱傳路徑方向，不斷地擬合不同區域的熱容和熱阻值。為了正確地校正熱容值，我們需確保芯片的實(shí)體尺寸正確無(wú)誤，且熱源區域的設定正確。在這種情況下，需要增加受熱面積直到芯片區域的熱容值在結構函數中互相重迭。

　　此外還需確保陶瓷層的熱阻設定在適當的范圍。隨著(zhù)陶瓷的熱傳導系數升高，結構函數中相對應的熱阻區域可能需降低以達到另一部份的重迭。下一步則是將組件與冷板間的銅底層和接口材料（TIM）設定在適當的熱傳導系數，使曲線(xiàn)能正確地相互匹配（圖5）。

　　圖5 模型校準后的所得到的結構函數。模擬值（藍色）、測量值（紅色）。
在功率測試設備中試驗組件#e#

　　在功率測試設備中試驗組件

　　一旦IGBT熱結構的初始狀態(tài)被記錄后，組件就可以進(jìn)行可靠性測試來(lái)評估其長(cháng)時(shí)間的表現。我們利用導熱貼片將所選的IGBT模塊固定在水冷式冷板上。導熱貼片的導熱性比起大部分的導熱膏和導熱膠還差，但是它在先前的實(shí)驗中顯示出了極佳的熱穩定性，因此不會(huì )影響測試的結果。此時(shí)冷板溫度設置為25℃。

　　測試中的模塊包含兩個(gè)半橋模塊，即四個(gè)IGBT。將組件的閘級連接到汲極，同時(shí)半橋模塊使用獨立的驅動(dòng)電流供電（見(jiàn)圖6）。所有IGBT分別連接到熱瞬態(tài)測試設備的通道。

　　圖 6 用于功率循環(huán)和熱瞬態(tài)測試的 IGBT電路圖。

　　為了加速功率循環(huán)測試的流程，我們迫使組件產(chǎn)生100℃的溫差變化。選擇此數值是為了確保結溫最高可達125℃，這是組件所允許的最高溫度。同時(shí)我們也輸入最大的功率以縮短循環(huán)時(shí)間，并選擇適當的時(shí)間來(lái)達到100℃的溫度變化。此IGBT模塊可負載最大80A的電流，但是由于組件的壓降過(guò)高，額定功率就變成了限制因素。根據先前的測試結果，此試驗選擇25A作為加熱電流。

　　測試過(guò)程輸入200W的功率并加熱3秒使芯片升溫到125℃。所需的冷卻時(shí)間則應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)間和溫度的分布圖。

　　圖7 功率循環(huán)期間的功率和結溫變化圖。

　　不論是壓降產(chǎn)生變化還是熱阻升高，所輸入的加熱電流和時(shí)間在整個(gè)測試過(guò)程中均保持不變。在每次循環(huán)測試中，組件冷卻過(guò)程的瞬態(tài)變化都被記錄下來(lái)以便能夠連續地監測結溫的變化。而每經(jīng)過(guò)200次的循環(huán)，都會(huì )使用10A的加熱電流來(lái)測量完整的瞬態(tài)變化以檢查熱流路徑的結構完整性。

　　閘級氧化層損壞所引發(fā)的故障——非封裝鍵合線(xiàn)的缺陷

　　在測試過(guò)程中，功率循環(huán)測試會(huì )一直持續直到達到失效標準，即組件完全損壞（短路或斷路）。在受測的四個(gè)IGBT組件中，其中之一（樣品3）發(fā)生故障的時(shí)間明顯地早于其他組件，只有 10，158次的功率循環(huán)（圖8）。過(guò)早損壞發(fā)生的原因可能是組件放在冷板上時(shí)貼附不當，或其他隨機的錯誤。其他三個(gè)組件，即樣品0、1和2顯示出相似的表現，分別在經(jīng)過(guò)40，660、41，476和43，489次循環(huán)后發(fā)生故障。

　　圖8 組件故障所經(jīng)過(guò)的功率循環(huán)次數。

　　在所有IGBT都發(fā)生故障之后，模塊會(huì )被拆除并檢查芯片和封裝鍵合線(xiàn)的狀況。圖9是其中一個(gè)測試芯片的照片，顯示出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)生燒毀，這可能是在輸入高電流時(shí)線(xiàn)路脫落而產(chǎn)生電弧所造成。

　　圖9 封裝鍵合線(xiàn)斷裂和芯片表面燒毀。

　　盡管封裝鍵合線(xiàn)出現明顯的缺陷，但是斷裂的封裝鍵合線(xiàn)并未造成器件故障。所有芯片失效的原因都是因為過(guò)熱和閘級氧化層損壞導致。這些效應隨后都可經(jīng)電性測試來(lái)進(jìn)行檢查和追蹤─封裝鍵合線(xiàn)破裂會(huì )可由VCE（集極-射極）電壓升高顯現，閘級氧化層損壞可造成IG（閘級漏電流）升高。在設計IGBT功率循環(huán)設備時(shí)，這些參數都應當需要測量。

　　此外為了解過(guò)熱的原因，基板和底板之間的連接點(diǎn)以及芯片黏貼層都需要加以研究，這也是為何需要校準仿真模型的原因。圖10顯示兩個(gè)相鄰IGBT的溫度分布圖，此圖是使用校準后的詳細模型來(lái)仿真加熱后的溫度現象。相鄰芯片之間的熱耦合影響忽略不計，因此每個(gè)芯片可以單獨地測試。

　　圖 10 仿真單一半橋模塊在加熱 3 秒鐘之后的溫度分布。

　　由于加熱時(shí)間短，基板-底板連接點(diǎn)的最大溫升僅為71℃，但是芯片粘貼層溫度升高超過(guò)100℃。結果顯示，結構中最易受損的地方是芯片粘貼層的材料。

　　定期測量所獲得的熱瞬態(tài)值會(huì )依據不同的功率循環(huán)次數來(lái)產(chǎn)生不同的結構函數。圖11顯示每5，000次循Power Cycles 環(huán)測試后所對應結構函數的影響。在第一階熱容值后，平坦區域對應的是芯片粘貼層材料。組件結構在17，000次循環(huán)之前仍很穩定；但是在此之后，芯片粘貼層材料明顯發(fā)生降級，且其熱阻持續升高直到組件發(fā)生故障。

　　圖11 樣品0在不同時(shí)間點(diǎn)下所測量的結構函數。

　　圖 12所顯示的是芯片粘貼層的熱阻除以系統的初始總熱阻，并依功率循環(huán)測試的次數所繪制的圖形。此結果可確認該黏貼層在15，000次循環(huán)之后迅速產(chǎn)生降級。因為芯片粘貼層材料發(fā)生了極大的變化導致熱傳路徑明顯改變，使其無(wú)法研究后一層的結構。但后一層結構中的降級也可合理預測，只不過(guò)它們與芯片粘貼層材料的問(wèn)題相比可忽略不計。

　　圖12 芯片粘貼層熱阻與初始總熱阻的相對比值。

　　大約20，000次循環(huán)后，芯片粘貼層的降級影響越趨明顯，而在接下來(lái)的10，000次循環(huán)內，組件節點(diǎn)至環(huán)境的總熱阻因循環(huán)而倍增。在30，000次循環(huán)后，因為熱傳遞路徑發(fā)生了變化，我們已無(wú)法確定芯片粘貼層的正確熱阻。