功率循環(huán)測試助力車用IGBT性能提升

　　汽車功率電子組件（例如IGBT）的設(shè)計(jì)必須能負(fù)荷數(shù)千小時(shí)的工作時(shí)間和上百萬次的功率循環(huán)，同時(shí)得承受高達(dá) 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)很大的問題。隨著工業(yè)電子系統(tǒng)對能量需求的增加，汽車功率電子設(shè)備和組件的供貨商所面臨的最大挑戰(zhàn)就是提供汽車OEM業(yè)者所需更高可靠度的系統(tǒng)。

　　隨著越來越高的能量負(fù)載壓力，功率電子創(chuàng)新帶來了一些新的技術(shù)，例如使用能夠增加熱傳導(dǎo)系數(shù)的直接鍵合銅基板、優(yōu)越的互連技術(shù)（粗封裝鍵合線、帶式鍵合等）和無焊料芯片粘貼技術(shù)，都是用來增強(qiáng)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(fù)載更大的電流，而且無焊料芯片粘貼可以是燒結(jié)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)過程和熱效應(yīng)所產(chǎn)生的熱及熱機(jī)械應(yīng)力仍然會(huì)造成系統(tǒng)故障。這些應(yīng)力可能會(huì)導(dǎo)致很多問題，如封裝鍵合線降級、黏貼層疲勞、堆棧脫層以及芯片或基板破裂。

　　結(jié)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(jù)所應(yīng)用的領(lǐng)域，IGBT模塊的切換次數(shù)是可被預(yù)測。

　　本文主要描述結(jié)合功率循環(huán)測試和熱瞬態(tài)測試的測量研究，在此試驗(yàn)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(wěn)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。這類型的測試能適當(dāng)協(xié)助重新設(shè)計(jì)模塊的物理結(jié)構(gòu)，此外根據(jù)需求，它還可以模擬熱機(jī)械應(yīng)力的輸入。

　　測試的主要目的是利用可重復(fù)性的流程來研究當(dāng)前IGBT模塊中常出現(xiàn)的故障模式。然而，這些測試的數(shù)量并不足以預(yù)測產(chǎn)品的壽命期，但我們能藉此了解并試驗(yàn) IGBT芯片中的降級過程。我們首先對樣品進(jìn)行熱瞬態(tài)測試，測量結(jié)果顯示，組件在熱瞬態(tài)試驗(yàn)過程中，不同穩(wěn)態(tài)之間所需要的時(shí)間為180秒。組件在輸入 10A的驅(qū)動(dòng)電流時(shí)可達(dá)到最高溫，接著在開始測量時(shí)則切換至100mA的感測電流。

　　圖1顯示樣品在最初「健康」?fàn)畹男?zhǔn)基礎(chǔ)。結(jié)構(gòu)函數(shù)是一維、縱向態(tài)下的熱瞬態(tài)函數(shù)。此曲線和相對應(yīng)熱傳的模型。在許多常用的三維幾何的結(jié)構(gòu)函數(shù)可作為封裝結(jié)構(gòu)詳細(xì)數(shù)值形狀中，結(jié)構(gòu)函數(shù)是「實(shí)質(zhì)」的一維熱傳模型，例如圓盤中的徑向擴(kuò)散（極坐標(biāo)系中的一維流）、球面擴(kuò)散、錐形擴(kuò)散等。

　　圖1 IGBT的熱瞬態(tài)反應(yīng)。

　　因此結(jié)構(gòu)函數(shù)可概括地辨認(rèn)出外型/材料參數(shù)。結(jié)構(gòu)函數(shù)可藉由加熱或冷卻曲線的數(shù)學(xué)計(jì)算直接轉(zhuǎn)換求得。這些曲線可從實(shí)際測量結(jié)果或利用詳細(xì)的結(jié)構(gòu)模型仿真熱傳路徑來獲得。