利用功率循環(huán)測試以分析汽車IGBT芯片的材料性能 - 全文

　　汽車功率電子（例如 IGBT）必須設計為可達到數(shù)千小時的工作時間和上百萬次功率循環(huán)，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(yè)電子系統(tǒng)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(tǒng)的挑戰(zhàn)。

　　隨著能量載荷壓力的不斷增加，功率電子設備創(chuàng)新帶來了一些新的技術，例如使用能夠增強熱傳遞系數(shù)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(huán)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(tǒng)上的熱應力和熱機應力仍然會造成相關的功率循環(huán)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(fā)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(huán)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(huán)次數(shù)可根據(jù)目標應用預測。

　　本文描述功率循環(huán)測試和瞬態(tài)熱測試的組合實驗，在此實驗中我們使器件經(jīng)受功率循環(huán)，從而產(chǎn)生故障，然后在不同的穩(wěn)態(tài)之間執(zhí)行瞬態(tài)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(xiàn)的常見故障模式。但是，這些測試的數(shù)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(tài)熱測試。試驗測量結果顯示，器件在不同穩(wěn)態(tài)之間的熱瞬態(tài)為 180 秒。在器件上利用 10 A 的驅動電流達到熱穩(wěn)態(tài)，當我們開始采集數(shù)據(jù)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(tài)的熱瞬態(tài)函數(shù)。利用此曲線和相應的結構函數(shù)作為封裝的詳細數(shù)值表示的校準基礎。結構函數(shù)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(shù)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(shù)可用于大致地識別幾何形狀/材料參數(shù)。結構函數(shù)可通過加熱曲線或冷卻曲線的直接數(shù)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(tài)熱響應。

　　創(chuàng)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(fā)生故障并拆解模塊之后，再測量幾何參數(shù)。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(shù)調節(jié)，直到從仿真瞬態(tài)結果獲得的結構函數(shù)與源自經(jīng)驗的結構函數(shù)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(jù)測得的幾何形狀以及對材料參數(shù)的最佳猜想創(chuàng)建的基線模型顯示，熱瞬態(tài)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(xù)地完善模型數(shù)據(jù)予以消除。我們通過擬合從模型的熱瞬態(tài)仿真獲得的結構函數(shù)（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(shù)（藍色曲線）實現(xiàn)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(xù)地擬合不同區(qū)域的熱容和熱阻值。為了正確地調節(jié)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(qū)域的電容值在結構函數(shù)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?shù)乃健ｋS著陶瓷熱導率的升高，結構函數(shù)中對應的熱阻部分可能會降低以產(chǎn)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?shù)臒釋室哉_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(tài)的結構函數(shù)。

　　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(tài)，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(wěn)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(tài)熱測試儀設備的獨立通道。

　　圖 6：用于功率循環(huán)和瞬態(tài)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(huán)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(huán)時間，并選擇適當?shù)臅r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(jù)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(fā)生變化。圖 7 顯示了時序圖和溫度分布圖。

　　圖 7：功率循環(huán)期間的加熱功率和結溫切換圖。

　　無論發(fā)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(huán)中的器件冷卻瞬態(tài)，這樣就能夠連續(xù)地監(jiān)測結溫變化。每經(jīng)過 200 個循環(huán)，使用 10A 加熱電流執(zhí)行一次全長瞬態(tài)測量，以檢查熱流路徑的結構完整性。

　　門級氧化層損壞而非封裝鍵合線缺陷引發(fā)的故障

　　在我們的實驗中，我們會繼續(xù)功率循環(huán)，直到器件完全無法工作（短路或斷路）。這就是我們的故障標準。在被測的四個 IGBT 器件中，有一個器件（樣品 3）發(fā)生故障明顯地早于其他器件，只經(jīng)過 10，158 個功率循環(huán)（圖 8）。這種過早發(fā)生故障的原因可能是在冷板中安裝不當或其他隨機錯誤。其他三個器件，即樣品 0、1 和 2 顯示出相似的行為，分別在經(jīng)過 40，660、41，476 和 43，489 個循環(huán)后發(fā)生故障。

　　圖 8：器件發(fā)生故障之前應用的功率循環(huán)數(shù)量。

　　在所有 IGBT 都發(fā)生故障之后，我們會拆解模塊并檢查芯片和封裝鍵合線的狀況。圖 9 是其中一個芯片的照片，顯示在測試期間有多條封裝鍵合線斷裂，芯片表面有一個區(qū)域發(fā)生燒灼，這可能是應用高電流時線路脫開形成的電弧造成的。

　　圖 9：斷裂封裝鍵合線和燒灼芯片表面的照片。

　　盡管封裝鍵合線出現(xiàn)明顯的缺陷，但是中斷的封裝鍵合線并未造成器件故障。所有芯片的故障都是過熱和門級氧化層損壞導致的。這些效應隨后通過電氣測試進行檢查和跟蹤：封裝鍵合線破裂可通過 VCE（集電極-發(fā)射極）電壓升高指示，門級氧化層損壞可造成 IG（門級漏電）升高。設計 IGBT 功率循環(huán)設備時，應當測量這些參數(shù)。

　　此外，還需要調查基板和底板之間的結點以及芯片粘接，以便了解過熱來源，這是我們需要校準仿真模型的原因。圖 10 顯示了使用校準后的詳細模型仿真加熱期結束時，兩個相鄰 IGBT 的溫度分布。相鄰芯片之間的熱耦合可以忽略不計；因此，可以單獨地調查每個芯片。

　　圖 10：3 秒鐘之后一個半橋模塊的仿真溫度分布。

　　由于加熱時間短，基板-底板連接的最大溫升為 71 °C，但是芯片粘接溫度升高超過 100 °C。這種結果表明，結構中最易受損的地方是芯片粘接材料。

　　定期測量的熱瞬態(tài)值允許我們根據(jù)應用的不同功率循環(huán)次數(shù)生成結構函數(shù)。圖 11 顯示產(chǎn)生的功率循環(huán)對每 5，000 個循環(huán)對應的結構函數(shù)的影響。在第一個電容階躍之后，平坦區(qū)域對應于芯片粘接材料。結構在 17，000 個循環(huán)之前保持穩(wěn)定；但是，在此之后，芯片粘接材料明顯發(fā)生降級，并且其阻抗連續(xù)升高直至器件發(fā)生故障。

　　圖 11：樣品 0 對應于不同時間點的控制測量結果的結構函數(shù)。

　　如圖 12 中所示，讀取的芯片粘接層熱阻除以系統(tǒng)的初始結-環(huán)境阻抗，并繪制為功率循環(huán)的函數(shù)。此計算可確認該層在 15，000 個循環(huán)之后迅速開始降級。熱路徑的變化極其顯著，因為芯片粘接材料發(fā)生了極大的變化，在后一個結構元件中無法調查。但是，后一部分中的降級也可合理預測，只不過它們與芯片粘接材料的問題相比可忽略不計。

　　圖 12：初始狀態(tài)下的芯片粘接層熱阻與結-環(huán)境熱阻對比。

　　大約 20，000 個循環(huán)后，芯片粘接層的降級影響變得很明顯，在大約 10，000 個循環(huán)內，樣品的結-環(huán)境總熱阻由于循環(huán)而倍增。在 30，000 個循環(huán)后，我們無法確定芯片粘接層的熱阻，因為熱擴散路徑發(fā)生了變化。