功率器件功率循環(huán)測試原理詳解

引言

功率半導(dǎo)體器件，特別是絕緣柵雙極型晶體管（IGBT），在新能源、軌道交通、電動(dòng)汽車、工業(yè)應(yīng)用和家用電器等諸多應(yīng)用中都是不可或缺的核心部件。尤其在新能源電動(dòng)汽車行業(yè)的迅猛崛起下，功率半導(dǎo)體器件市場迎來了爆發(fā)式的增長。與消費(fèi)電子市場相比，車規(guī)級(jí)功率半導(dǎo)體器件所面臨的挑戰(zhàn)更為嚴(yán)峻，因其需要在高工作結(jié)溫、高功率密度和高開關(guān)頻率等嚴(yán)苛條件下穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)還需要在更為惡劣的使用環(huán)境中保持出色的性能。因此，對(duì)于車規(guī)級(jí)功率半導(dǎo)體器件而言，其可靠性成為了一個(gè)至關(guān)重要的考量因素。

車規(guī)級(jí)功率模塊最常用的測試標(biāo)準(zhǔn)是歐洲電力電子研究中心（ECPE）發(fā)布的AQG 324，它詳細(xì)規(guī)范了功率循環(huán)測試的相關(guān)內(nèi)容，引用了IEC60749-34的測試標(biāo)準(zhǔn)和IEC60747-9的產(chǎn)品參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，為功率模塊的驗(yàn)證提供了全面的指導(dǎo)。在AQG-324中，詳細(xì)描述了功率模塊所需進(jìn)行的各項(xiàng)測試項(xiàng)目、測試要求以及相應(yīng)的測試條件，確保模塊在各種工作環(huán)境下都能達(dá)到預(yù)定的性能標(biāo)準(zhǔn)。

功率循環(huán)測試，作為評(píng)估功率器件封裝可靠性的關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)，近年來受到了廣泛關(guān)注。尤其隨著SiC MOSFET功率器件的快速發(fā)展，其封裝可靠性問題成為了研究熱點(diǎn)。

功率循環(huán)測試原理

功率循環(huán)（Power Cycling）是指讓芯片在間歇性通電的過程中產(chǎn)生熱量，從而使芯片溫度發(fā)生波動(dòng)的過程。

功率循環(huán)對(duì)IGBT模塊損傷主要源于銅綁線和芯片表面鋁層的熱膨脹系數(shù)不同，以及芯片熱膨脹系數(shù)與DBC（Direct Bonded Copper）板不同，會(huì)在功率循環(huán)過程中引發(fā)一系列問題。這些損傷主要表現(xiàn)為綁線脫落、斷裂以及芯片焊層分離。因此，封裝材料CTE不匹配被認(rèn)為是限制器件壽命的根本原因，結(jié)溫波動(dòng)ΔTvj和最大結(jié)溫 Tvjmax是激勵(lì)源，而測試過程中的其他因素也會(huì)直接影響結(jié)溫的變化和最終的測試結(jié)果。如標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定當(dāng)負(fù)載電流開通時(shí)間ton小于5s時(shí) (稱為秒級(jí)功率循環(huán)) 主要考核的是芯片周圍的連接處，而當(dāng)ton大于15s時(shí) (稱為分鐘級(jí)功率循環(huán)) 考核的重點(diǎn)則是遠(yuǎn)離芯片的連接處。

功率循環(huán)的基本電路原理圖和溫度變化曲線示意如圖所示：

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負(fù)載電流通過外部開關(guān)的控制給被測器件施加一定占空比(ton/(ton+toff))的電ILoad，使器件加熱達(dá)到指定最大結(jié)溫Tvjmax。在這一過程中，為了確保器件熱量及時(shí)散失并降低結(jié)溫，通常會(huì)將被測器件安裝在可恒定溫度的水冷板或者水道工裝上。

當(dāng)負(fù)載電流被切斷后，器件的結(jié)溫會(huì)降低至最小結(jié)溫Tvjmin，如此循環(huán)往復(fù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)器件封裝可靠性的全面考核。因此，在一個(gè)完整的循環(huán)周期內(nèi)(ton+toff)，被測器件的加熱時(shí)間或者電流開通時(shí)間被定義為ton，而電流關(guān)斷時(shí)間或降溫時(shí)間則為toff。而測量電流ISense則是一直加載在被測器件的兩端，這個(gè)測量電流通常選擇為器件額定電流的1/1000，以便于實(shí)現(xiàn)器件結(jié)溫的電學(xué)參數(shù)間接測量。

K系數(shù)原理

由于IGBT模塊的結(jié)溫?zé)o法直接測量，我們采用溫度敏感K系數(shù)來進(jìn)行計(jì)算，以間接獲取結(jié)溫信息。為了模擬結(jié)溫的變化，試驗(yàn)中通過改變環(huán)境溫度來實(shí)現(xiàn)。具體操作時(shí)，將IGBT模塊置于高溫箱中，并選擇至少三個(gè)不同的溫度進(jìn)行測試。為使IGBT模塊的溫度盡可能的與高溫試驗(yàn)箱溫度達(dá)到均衡，這通常要求每個(gè)溫度的平衡時(shí)間不低于30分鐘。在這個(gè)過程中使IGBT飽和導(dǎo)通，并實(shí)時(shí)測量IGBT模塊VCE壓降VF（通過開爾文四線制測量VF）。因結(jié)溫與其導(dǎo)通電壓VF是呈線性關(guān)系，其比值可以用K來表示。

功率循環(huán)測試模式

恒定加熱電流模式(PCsec)

穩(wěn)定的Ton和Toff時(shí)間，被測壓接式 IGBT 器件的降級(jí)對(duì)得到的結(jié)溫變化幅度有直接的影響，這種方式對(duì)于功率循環(huán)來說最為嚴(yán)格。

恒定結(jié)溫差模式

穩(wěn)定的Ton和Toff時(shí)間，自動(dòng)計(jì)算并調(diào)節(jié)加熱電流，以確保結(jié)溫差恒定。

恒定功率模式：Pv

穩(wěn)定的Ton和Toff時(shí)間，自動(dòng)計(jì)算并調(diào)節(jié)加熱電流，以確保功率恒定。

恒定殼溫差模式ΔTC：循環(huán)中改變冷板的熱傳導(dǎo)系數(shù) (PCmin)

在功率循環(huán)測試中隨著Ton和Toff的時(shí)間，同步改變冷板內(nèi)冷卻液的流量，通過改變柵極電壓來改變溫升；

穩(wěn)定的Ton和Toff時(shí)間，自動(dòng)計(jì)算并調(diào)節(jié)加熱電流，以確保殼溫差恒定；

這種模式適用于長時(shí)間周期的功率循環(huán)測試。

功率循環(huán)測試過程監(jiān)測

在功率循環(huán)測試中，可以同時(shí)監(jiān)測結(jié)溫變化△Tj、結(jié)殼熱阻Rthjc、最大結(jié)溫Tjmax和最小結(jié)溫Tjmin等參數(shù)的變化趨勢。根據(jù)車規(guī)AQG 324標(biāo)準(zhǔn)的要求，如果在測試過程中Rthjc的變化率超過20%或者飽和壓降Vce的變化率超過5%，那么被測器件將被判定為失效。其中，Vce的變化通常反映了鍵合線的失效情況，而Rthjc的變化則主要反映了芯片與底板之間粘結(jié)層的失效情況。

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