功率循環測試助力車用IGBT性能提升

　　汽車功率電子組件（例如IGBT）的設計必須能負荷數千小時的工作時間和上百萬次的功率循環，同時得承受高達 200℃的溫度。因此產品的可靠性特別關鍵，而同時故障成本也會是一個很大的問題。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組件的供貨商所面臨的最大挑戰就是提供汽車OEM業者所需更高可靠度的系統。

　　隨著越來越高的能量負載壓力，功率電子創新帶來了一些新的技術，例如使用能夠增加熱傳導系數的直接鍵合銅基板、優越的互連技術（粗封裝鍵合線、帶式鍵合等）和無焊料芯片粘貼技術，都是用來增強模塊的循環能力。這些新的基板有助于降低溫度，金屬帶可負載更大的電流，而且無焊料芯片粘貼可以是燒結的銀，具有特別低的熱阻。

　　所有的技術都有助于改善組件中的熱傳路徑。但是，功率循環過程和熱效應所產生的熱及熱機械應力仍然會造成系統故障。這些應力可能會導致很多問題，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。

　　結點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。功率循環測試是仿效模塊生命周期的理想方式，因根據所應用的領域，IGBT模塊的切換次數是可被預測。

　　本文主要描述結合功率循環測試和熱瞬態測試的測量研究，在此試驗中主要是利用功率循環測試造成組件故障，同時在不同的穩態之間進行熱瞬態測量，用以確定IGBT樣品的故障原因。這類型的測試能適當協助重新設計模塊的物理結構，此外根據需求，它還可以模擬熱機械應力的輸入。

　　測試的主要目的是利用可重復性的流程來研究當前IGBT模塊中常出現的故障模式。然而，這些測試的數量并不足以預測產品的壽命期，但我們能藉此了解并試驗 IGBT芯片中的降級過程。我們首先對樣品進行熱瞬態測試，測量結果顯示，組件在熱瞬態試驗過程中，不同穩態之間所需要的時間為180秒。組件在輸入 10A的驅動電流時可達到最高溫，接著在開始測量時則切換至100mA的感測電流。

　　圖1顯示樣品在最初「健康」狀的校準基礎。結構函數是一維、縱向態下的熱瞬態函數。此曲線和相對應熱傳的模型。在許多常用的三維幾何的結構函數可作為封裝結構詳細數值形狀中，結構函數是「實質」的一維熱傳模型，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。

　　圖1 IGBT的熱瞬態反應。

　　因此結構函數可概括地辨認出外型/材料參數。結構函數可藉由加熱或冷卻曲線的數學計算直接轉換求得。這些曲線可從實際測量結果或利用詳細的結構模型仿真熱傳路徑來獲得。