功率半導體器件錫膏解決方案深圳福英達分享：功率半導體器件功率循環測試與控製策略
功率半導體(ti) 器件錫膏解決(jue) 方案深圳福英達分享：功率半導體(ti) 器件功率循環測試與(yu) 控製策略
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導 讀
簡而言之，一個是運動發熱，一個是高溫中暑。
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功率循環測試
功率循環測試
由於(yu) 在功率循環測試中的被測試器件的發熱部分集中在器件工作區域，其封裝老化（aging）模式與(yu) 正常工作下的器件相類似，故功率循環測試被認可為(wei) 最接近於(yu) 實際應用的功率器件可靠性測試而受到廣泛的關(guan) 注。
功率循環測試過程中，器件內(nei) 部溫度分布以及應力變化
功率循環測試台
功率循環測試台是用於(yu) 功率器件進行功率循環測試的設備，其設計原理並不複雜。在試驗台中，通過電流源供給負載電流給被測試器件，電流/電壓探頭實時監控被測試器件的電流/電壓數據，控製器操控電流源實現負載電流按既定時間中斷。設備整體(ti) 的主要成本在電流源與(yu) 控製器，設備的設計難度在於(yu) 程序控製以及數據采集硬件。
功率循環測試設備簡圖
檢測時間點和被測參數
在功率循環測試過程中，直接檢測的數據是器件電壓降，負載電流以及器件底部溫度。通過選取數據采樣的時間點，收集被測試器件在最高溫與(yu) 最低溫時的電壓與(yu) 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(nei) 部的熱阻變化。
功率循環測試中，檢測時間點以及被測試參數
由於(yu) 大多數器件在測試中是處於(yu) 被封裝狀態，其內(nei) 部溫度不可通過直接手段進行檢測，故在功率循環測試中，器件內(nei) 部芯片的溫度是采用K係數的方式進行間接計算而獲得的。K係數代表器件芯片的溫度敏感電學參數，其選取的原則在於(yu) 簡單、可靠、敏感度高。矽基IGBT芯片的溫度一般采用Vce（集電極-發射極電壓）進行計算。同時Vce也能反映IGBT器件內(nei) 部電流路徑的老化情況，5%的Vce增加被認定為(wei) 器件損壞的標準。
IGBT器件的K係數（Vce-Tj 擬合線）
被測試器件的熱阻在功率循環測試中應當被實時監控，因為(wei) 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(wei) 器件失效的標準。
以下列功率循環測試中收集的數據為(wei) 例，Vce在427.4k循環數左右發生階段跳躍，同時器件芯片的最高溫度（Tj,high）上升明顯。這表明器件芯片表麵的鍵合線出現斷裂或脫落。而Rth無明顯變化，表明器件內(nei) 部散熱層老化情況不明顯。
功率循環測試中的數據
上圖中的功率循環測試數據有一個(ge) 明顯的缺陷，即測試數據的噪聲較大，無法準確反映器件內(nei) 部的真實情況。出現這種缺陷的原因有：被測試器件電學連接不規範，功率循環測試設備的精度有限，測試數據監測時間點的選取失誤等等。
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功率循環測試-控製策略
功率循環測試-控製策略
在功率循環測試之中，被測試器件通過自身功率損耗引起的發熱來達到測試預設溫度。其中，器件結溫與(yu) 其他參數的基本關(guan) 係可由以下公式概括：
由上可知，測試所需要的器件結溫（Tj）可以通過調整器件的功率損耗（I*V），熱阻（Rth）以及冷卻板溫度（Tc，即殼溫，此處近似為(wei) 冷卻溫度）來獲得。同時，器件導通時間（ton）也會(hui) 對器件的結溫有所影響。
在上一講的介紹中，標準的功率循環測試即通過下圖的測試電路實現。被測試器件在固定導通時間，冷卻時間以及負載電流的情況下進行測試。由於(yu) 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(liang) 者結合造成器件結溫升高並進一步加快器件封裝的損壞速度，最終使器件失效。
功率循環測試設備簡圖
功率循環測試-測試匯總
然而功率循環測試的控製策略並不僅(jin) 此一種，殼溫Tc，功率損耗Pv以及結溫Tj皆可通過其他參數的調試使之在測試中保持恒定，用以量度器件在不同操作環境下的功率循環壽命。U. Scheuermann以及G. Zeng等人在控製策略的影響方麵進行了深入的研究。
在U. Scheuermann的研究中，殼溫差（dTc），功率損耗（Pv）與(yu) 結溫差（dTj）在測試過程中分別通過不同的參數調試而被固定，其中，器件的初始結溫差（dTj）都為(wei) 125開爾文。最終測試結果可知，標準的功率循環測試相對於(yu) 采用其他測試控製策略的測試更為(wei) 嚴(yan) 苛，器件的測試壽命最短。然而，測試控製策略的類型並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的研究中並未得到體(ti) 現。
U. Scheuermann，不同控製策略下功率循環測試匯總
U. Scheuermann，不同控製策略下功率循環測試的結果
下圖中的鍵和線由於(yu) 器件溫度以及電流分布不均造成熔斷。此種現象主要發生在當部分鍵和線已經脫落，而殘存的鍵和線無法負荷導通電流的情況下。
U. Scheuermann，功率循環測試造成的鍵和線失效
在G. Zeng的研究中，功率損耗（Pv）與(yu) 結溫差（dTj）在測試過程中被固定，其所選擇的調控參數相對於(yu) U. Scheuermann的研究更為(wei) 細化。但是結溫差dTj=87 K的初始實驗條件相較於(yu) 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，固定導通、冷卻時間在G. Zeng的研究中仍然屬於(yu) 最嚴(yan) 苛測試控製策略。
G. Zeng，不同控製策略下功率循環測試匯總
下圖是功率循環測試中所得到的監測參數曲線，可以明顯看出結溫差（dTj）與(yu) 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曲線多出現於(yu) 結溫差較低的測試中。
G. Zeng，標準功率循環測試中的參數監測
芯片底部的焊料層老化可以通過超聲波掃描顯微技術進行直觀的比較。
G. Zeng，功率循環測試造成的芯片底部焊料層失效
功率循環測試-標準控製策略
通過的已有的研究，可知標準的功率循環測試控製策略，即固定導通與(yu) 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測試壽命。此種控製策略由於(yu) 其測試操作簡便，設備結構簡單，效率高，貼近於(yu) 實際應用場景的優(you) 點，被廣大廠商所采用的。其他類型的測試控製策略僅(jin) 存在於(yu) 特殊的測試需求中。
同時，IEC，AQG324等測試標準中，固定導通與(yu) 冷卻時間的控製策略被列為(wei) 標準的測試操作規範，通過更改測試控製策略來延長器件測試壽命從(cong) 而通過測試標準的手段在此無法生效。
來源：廣東(dong) 能芯
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