利用功率循環測試以分析汽車IGBT芯片的材料性能

　　汽車功率電子（例如 IGBT）必須設計為可達到數千小時的工作時間和上百萬次功率循環，承受高達 200 °C 的溫度?？煽啃杂绕潢P鍵，而故障成本可能是很大的問題。隨著工業電子系統對能量需求的增加，汽車功率電子設備和元器件供應商面臨著提供汽車OEM廠商所需的高可靠性系統的挑戰。

　　隨著能量載荷壓力的不斷增加，功率電子設備創新帶來了一些新的技術，例如使用能夠增強熱傳遞系數的直接鍵合銅基板、改進的互連技術（粗封裝鍵合線、帶式鍵合等）和無焊料芯片粘接技術，來增強模塊的循環功能。這些新的基板有助于降低溫度，載帶可載荷更大的電流，而且無焊料芯片粘接可以是燒結的銀，具有特別低的熱阻。所有這些事實上都有助于改善器件中的熱路徑。但是，這些系統上的熱應力和熱機應力仍然會造成相關的功率循環和散熱故障。這些應力可能會導致很多問題，如封裝鍵合線降級、芯片粘接疲勞、疊層分層以及芯片或基板破裂。

　　結點中散發的熱量是可能影響 IGBT 芯片中所用的芯片粘接材料可靠性的主要因素之一。功率循環測試是模擬模塊壽命期的理想選擇，因為與 IGBT 模塊對應的開關循環次數可根據目標應用預測。

　　本文描述功率循環測試和瞬態熱測試的組合實驗，在此實驗中我們使器件經受功率循環，從而產生故障，然后在不同的穩態之間執行瞬態熱測試，以此確定 IGBT 小樣品的故障原因。這些類型的測試為正確地重新設計模塊的物理結構提供支持，如果需要，它還可充當熱機應力仿真的輸入。

　　我們的目標是利用可復制的流程研究當前 IGBT 模塊中出現的常見故障模式。但是，這些測試的數量并未高到足以預測壽命期，我們只是通過這些測試來檢查 IGBT 芯片中的降級流程。我們首先對樣品進行瞬態熱測試。試驗測量結果顯示，器件在不同穩態之間的熱瞬態為 180 秒。在器件上利用 10 A 的驅動電流達到熱穩態，當我們開始采集數據時它轉換成 100 mA 的傳感器電流。

　　圖 1 顯示了描述樣品最初的“健康”狀態的熱瞬態函數。利用此曲線和相應的結構函數作為封裝的詳細數值表示的校準基礎。結構函數是一維縱向熱流的直接模型。在很多常用的三維幾何形狀中，結構函數是“本質”一維熱流的直接模型，例如圓盤中的徑向擴散（極坐標系中的一維流）、球面擴散、錐形擴散等。這樣，結構函數可用于大致地識別幾何形狀/材料參數。結構函數可通過加熱曲線或冷卻曲線的直接數學變換獲得。這些曲線可從測量結果或仿真熱路徑的詳細結構模型中獲得。

　　圖 1：研究 IGBT 的瞬態熱響應。

　　創建熱仿真模型

　　我們隨后會構建并驗證模塊的詳細三維模型，以便分析結構內部的溫度分布。在所有器件發生故障并拆解模塊之后，再測量幾何參數。圖 2 中顯示了模型布局（圖 3 中顯示的是疊層結構）。

　　這樣，我們可以確仿真模型的行為方式與實際器件完全相同，然后我們進行材料參數調節，直到從仿真瞬態結果獲得的結構函數與源自經驗的結構函數相擬合。這個流程需要進行多次迭代。

　　圖 2：仿真模型的布局。

　　圖 3：IGBT 模塊的疊層結構。

　　根據測得的幾何形狀以及對材料參數的最佳猜想創建的基線模型顯示，熱瞬態行為與實際器件存在明顯差異。此類偏差可通過校準模型并連續地完善模型數據予以消除。我們通過擬合從模型的熱瞬態仿真獲得的結構函數（圖 4 中的紅色曲線）與實際器件的測量結果生成的結構函數（藍色曲線）實現這一目的。

　　圖 4：基線模型的仿真結果。

　　接下來，我們開始通過擬合封裝的內部功能來校準器件。然后，我們沿熱流路徑方向從封裝向外，連續地擬合不同區域的熱容和熱阻值。為了正確地調節芯片電容，我們要確保芯片的物理尺寸正確無誤，并正確地設置熱源。在這種情況下，我們需要增加受熱面積，直到芯片區域的電容值在結構函數中互相重疊。

　　然后，我們需要確保將陶瓷層的熱阻設置為適當的水平。隨著陶瓷熱導率的升高，結構函數中對應的熱阻部分可能會降低以產生新擬合部分。在此之后，我們將器件與冷板之間的銅皮和熱學界面材料 （TIM） 設置為適當的熱導率以正確地匹配曲線（圖 5）。

　　圖 5：模型校準之后的仿真（藍色）和測量（紅色）瞬態的結構函數。

　　在功率測試儀中運行器件

　　只要記錄了 IGBT 熱結構的初始狀態，器件就可以接受可靠性測試以評估其長期行為。我們將所選的 IGBT 模塊固定到帶有導熱墊的水冷式冷板上。與大部分導熱膏和導熱硅脂相比，導熱墊的導熱性較差，但是它在早前的實驗中顯示出了極佳的熱穩定性，因此不會影響測得的結果。冷板溫度設置為 25 °C。

　　測試中的模塊包含兩個半橋模塊，即四個 IGBT。將器件的門級連接到漏極，同時半橋模塊使用單獨的驅動電路供電（見圖 6）。所有 IGBT 連接到瞬態熱測試儀設備的獨立通道。

　　圖 6：用于功率循環和瞬態熱測量的 IGBT 電氣連接。

　　我們決定在測試中對器件應用 100 °C 的變溫以加速功率循環流程。選擇此值是為了確保最高結溫為 125 °C，這是器件允許的最高溫度。我們將應用于模塊的功率最大化以縮短循環時間，并選擇適當的時機達到 100 °C 的目標變溫。IGBT 模塊可處理高達 80 A 的電流，但是由于器件的壓降很高，額定功率就變成了限制因素。根據先前的試驗測量，可選擇 25 A 的加熱電流。

　　我們需要使用 200 W 的功率加熱 3 秒使芯片預熱到 125 °C。設置的冷卻時間應可確保芯片有足夠的時間冷卻下來，且平均溫度在測試過程中不會發生變化。圖 7 顯示了時序圖和溫度分布圖。

　　圖 7：功率循環期間的加熱功率和結溫切換圖。

　　無論發生壓降變化還是熱阻升高，應用的加熱電流和測定時間在整個測試流程中均保持恒定。記錄每個循環中的器件冷卻瞬態，這樣就能夠連續地監測結溫變化。每經過 200 個循環，使用 10A 加熱電流執行一次全長瞬態測量，以檢查熱流路徑的結構完整性。