功率半導(dǎo)體器件功率循環(huán)測試與控制策略

導(dǎo) 讀

功率循環(huán)測試是一種功率半導(dǎo)體器件的可靠性測試方法，被列為AEC-Q101與AQG-324等車規(guī)級測試標準內(nèi)的必測項目。與溫度循環(huán)測試相比，功率循環(huán)是通過器件內(nèi)部工作的芯片產(chǎn)生熱量，使得器件達到既定的溫度；而溫度循環(huán)則是通過外部環(huán)境強制被測試器件達到測試溫度。

簡而言之，一個是運動發(fā)熱，一個是高溫中暑。

功率循環(huán)測試

功率循環(huán)測試

由于在功率循環(huán)測試中的被測試器件的發(fā)熱部分集中在器件工作區(qū)域，其封裝老化（aging）模式與正常工作下的器件相類似，故功率循環(huán)測試被認可為最接近于實際應(yīng)用的功率器件可靠性測試而受到廣泛的關(guān)注。

功率循環(huán)測試過程中，器件內(nèi)部溫度分布以及應(yīng)力變化

功率循環(huán)測試臺

功率循環(huán)測試臺是用于功率器件進行功率循環(huán)測試的設(shè)備，其設(shè)計原理并不復(fù)雜。在試驗臺中，通過電流源供給負載電流給被測試器件，電流/電壓探頭實時監(jiān)控被測試器件的電流/電壓數(shù)據(jù)，控制器操控電流源實現(xiàn)負載電流按既定時間中斷。設(shè)備整體的主要成本在電流源與控制器，設(shè)備的設(shè)計難度在于程序控制以及數(shù)據(jù)采集硬件。

功率循環(huán)測試設(shè)備簡圖

檢測時間點和被測參數(shù)

在功率循環(huán)測試過程中，直接檢測的數(shù)據(jù)是器件電壓降，負載電流以及器件底部溫度。通過選取數(shù)據(jù)采樣的時間點，收集被測試器件在最高溫與最低溫時的電壓與器件底部溫度變化，進而通過計算得出器件芯片溫度變化以及器件內(nèi)部的熱阻變化。

功率循環(huán)測試中，檢測時間點以及被測試參數(shù)

由于大多數(shù)器件在測試中是處于被封裝狀態(tài)，其內(nèi)部溫度不可通過直接手段進行檢測，故在功率循環(huán)測試中，器件內(nèi)部芯片的溫度是采用K系數(shù)的方式進行間接計算而獲得的。K系數(shù)代表器件芯片的溫度敏感電學(xué)參數(shù)，其選取的原則在于簡單、可靠、敏感度高。硅基IGBT芯片的溫度一般采用Vce（集電極-發(fā)射極電壓）進行計算。同時Vce也能反映IGBT器件內(nèi)部電流路徑的老化情況，5%的Vce增加被認定為器件損壞的標準。

IGBT器件的K系數(shù)（Vce-Tj 擬合線）

被測試器件的熱阻在功率循環(huán)測試中應(yīng)當被實時監(jiān)控，因為其反映了器件散熱能力的變化。熱阻通過下列方程簡單計算得出，20%的Rth增長被認定為器件失效的標準。

以下列功率循環(huán)測試中收集的數(shù)據(jù)為例，Vce在427.4k循環(huán)數(shù)左右發(fā)生階段跳躍，同時器件芯片的最高溫度（Tj,high）上升明顯。這表明器件芯片表面的鍵合線出現(xiàn)斷裂或脫落。而Rth無明顯變化，表明器件內(nèi)部散熱層老化情況不明顯。

功率循環(huán)測試中的數(shù)據(jù)

上圖中的功率循環(huán)測試數(shù)據(jù)有一個明顯的缺陷，即測試數(shù)據(jù)的噪聲較大，無法準確反映器件內(nèi)部的真實情況。出現(xiàn)這種缺陷的原因有：被測試器件電學(xué)連接不規(guī)范，功率循環(huán)測試設(shè)備的精度有限，測試數(shù)據(jù)監(jiān)測時間點的選取失誤等等。

功率循環(huán)測試-控制策略

功率循環(huán)測試-控制策略

在功率循環(huán)測試之中，被測試器件通過自身功率損耗引起的發(fā)熱來達到測試預(yù)設(shè)溫度。其中，器件結(jié)溫與其他參數(shù)的基本關(guān)系可由以下公式概括：

由上可知，測試所需要的器件結(jié)溫（Tj）可以通過調(diào)整器件的功率損耗（I*V），熱阻（Rth）以及冷卻板溫度（Tc，即殼溫，此處近似為冷卻溫度）來獲得。同時，器件導(dǎo)通時間（ton）也會對器件的結(jié)溫有所影響。

在上一講的介紹中，標準的功率循環(huán)測試即通過下圖的測試電路實現(xiàn)。被測試器件在固定導(dǎo)通時間，冷卻時間以及負載電流的情況下進行測試。由于鍵和線以及焊料層在測試過程中逐漸老化，器件的功率損耗隨之提升，而器件散熱情況逐漸惡化，兩者結(jié)合造成器件結(jié)溫升高并進一步加快器件封裝的損壞速度，最終使器件失效。

功率循環(huán)測試設(shè)備簡圖

功率循環(huán)測試-測試匯總

然而功率循環(huán)測試的控制策略并不僅此一種，殼溫Tc，功率損耗Pv以及結(jié)溫Tj皆可通過其他參數(shù)的調(diào)試使之在測試中保持恒定，用以量度器件在不同操作環(huán)境下的功率循環(huán)壽命。U. Scheuermann以及G. Zeng等人在控制策略的影響方面進行了深入的研究。

在U. Scheuermann的研究中，殼溫差（dTc），功率損耗（Pv）與結(jié)溫差（dTj）在測試過程中分別通過不同的參數(shù)調(diào)試而被固定，其中，器件的初始結(jié)溫差（dTj）都為125開爾文。最終測試結(jié)果可知，標準的功率循環(huán)測試相對于采用其他測試控制策略的測試更為嚴苛，器件的測試壽命最短。然而，測試控制策略的類型并未影響器件的失效機理，器件皆因鍵和線脫落而失效。芯片底部焊料層的情況在U. Scheuermann的研究中并未得到體現(xiàn)。

U. Scheuermann，不同控制策略下功率循環(huán)測試匯總

U. Scheuermann，不同控制策略下功率循環(huán)測試的結(jié)果

下圖中的鍵和線由于器件溫度以及電流分布不均造成熔斷。此種現(xiàn)象主要發(fā)生在當部分鍵和線已經(jīng)脫落，而殘存的鍵和線無法負荷導(dǎo)通電流的情況下。

U. Scheuermann，功率循環(huán)測試造成的鍵和線失效

在G. Zeng的研究中，功率損耗（Pv）與結(jié)溫差（dTj）在測試過程中被固定，其所選擇的調(diào)控參數(shù)相對于U. Scheuermann的研究更為細化。但是結(jié)溫差dTj=87 K的初始實驗條件相較于U. Scheuermann的125 K差距較大，造成不同的失效機理（焊料層老化失效），使二者無法進行直接對比。但相同的是，固定導(dǎo)通、冷卻時間在G. Zeng的研究中仍然屬于最嚴苛測試控制策略。

G. Zeng，不同控制策略下功率循環(huán)測試匯總

下圖是功率循環(huán)測試中所得到的監(jiān)測參數(shù)曲線，可以明顯看出結(jié)溫差（dTj）與熱阻值（Rth）在測試過程中同步變化，可知器件散熱惡化是造成器件溫度上升的主要因素。此種類型的測試參數(shù)曲線多出現(xiàn)于結(jié)溫差較低的測試中。

G. Zeng，標準功率循環(huán)測試中的參數(shù)監(jiān)測

芯片底部的焊料層老化可以通過超聲波掃描顯微技術(shù)進行直觀的比較。

G. Zeng，功率循環(huán)測試造成的芯片底部焊料層失效

功率循環(huán)測試-標準控制策略

通過的已有的研究，可知標準的功率循環(huán)測試控制策略，即固定導(dǎo)通與冷卻時間以及負載電流的方法，可以最快速的得到器件的功率循環(huán)測試壽命。此種控制策略由于其測試操作簡便，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，效率高，貼近于實際應(yīng)用場景的優(yōu)點，被廣大廠商所采用的。其他類型的測試控制策略僅存在于特殊的測試需求中。

同時，IEC，AQG324等測試標準中，固定導(dǎo)通與冷卻時間的控制策略被列為標準的測試操作規(guī)范，通過更改測試控制策略來延長器件測試壽命從而通過測試標準的手段在此無法生效。

審核編輯 黃宇