淺談車規(guī)級功率模塊測試

近年來，新能源汽車（以混動汽車為起點）被資本，政府和消費者所接受后，功率半導(dǎo)體器件做為電能轉(zhuǎn)換的內(nèi)核，也成了資本市場上的寵兒。

特別地，特斯拉推出SiC功率器件后。從英飛凌，三菱，安森美到意法半導(dǎo)體，中車時代電氣，練就了多年各路英豪，在當(dāng)下車規(guī)級功率半導(dǎo)體器件領(lǐng)域各顯其能，在一定程度上，我們想借用英飛凌Hybridpack模塊封裝形式，切入標(biāo)準(zhǔn)化電驅(qū)應(yīng)用領(lǐng)域；

另一部分另辟蹊徑，介紹了雙面冷卻設(shè)計和環(huán)氧樹脂塑封等工藝，期望登臨工藝巔峰，達(dá)到對模塊可靠性和性能降維打擊的目的。

而器件可靠性測試標(biāo)準(zhǔn)也就成了檢驗上述產(chǎn)品“上車”與否的不二指標(biāo)。

車規(guī)級可靠性測試標(biāo)準(zhǔn)有哪些

目前備客戶所認(rèn)可的功率半導(dǎo)體器件可靠性測試標(biāo)準(zhǔn)有兩種，即AQG-324與AEC-Q101，分別代表著模塊與單管兩種器件的測試要求。

至于其他由國內(nèi)各單位、團(tuán)體等機構(gòu)提出的可靠性測試標(biāo)準(zhǔn)都基本源于以上兩個標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容。

在客戶詢問器件對應(yīng)的可靠性驗證標(biāo)準(zhǔn)時，筆者一般會推薦AQG-324，因為其在序言中嚴(yán)格限制了該標(biāo)準(zhǔn)的適用領(lǐng)域：“This document defines requirements, test conditions and tests for validating properties, including the lifetime of power electronics modules and equivalent special designs based on discrete devices, for use in power electronics converter units (PCUs) of motor vehicles up to 3.5 t gross vehicle weight.”

這也證實了我一直以來所宣傳的理念，“車規(guī)級的功率半導(dǎo)體器件的試驗標(biāo)準(zhǔn)”里以“車”為題材，以“半導(dǎo)體器件”為手段。

芯片（SiC或GaN的應(yīng)用）和封裝結(jié)構(gòu)和材料（采用雙面冷卻結(jié)構(gòu)等）的任何變化只能增加測試項目或者更替測試方法，無法改變系統(tǒng)對設(shè)備可靠性的要求。

AQG-324標(biāo)準(zhǔn)說了什么

AQG-324標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)包含四種類的測試，分別是模塊測試（QM）、特性測試（QC）、環(huán)境測試（QE）與壽命測試（QL）。

標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)的測試項目通過模擬器件在實際使用情況所受到的各種類型應(yīng)力，老化器件封裝與芯片的薄弱點，從實現(xiàn)器件實際使用壽命的加速驗證。

模塊測試（QM）主要是通過對設(shè)備靜態(tài)電學(xué)參數(shù)，互連層和外觀缺陷的檢測，以保證設(shè)備滿足開展下一步試驗的基本前提要求和試驗后功能性指標(biāo)。

特性測試（QC）是用來驗證設(shè)備動態(tài)電學(xué)特性，短路特性，熱阻和絕緣耐壓特性以評價設(shè)備產(chǎn)品品質(zhì)。

環(huán)境測試（QE）通過采用溫度變化條件以及機械振動/沖擊來驗證功率器件在車輛中的環(huán)境適應(yīng)性。

2021年版QE-01 Thermal Shock（TST）不再強求兩廂式/吊籃式溫度沖擊試驗方案，一箱溫度循環(huán)方案或三箱體式溫度沖擊方案從效果上看也被認(rèn)為是等同的。它的基本檢測要求列于下表。

如果客戶對于產(chǎn)品在環(huán)境溫度測試中表現(xiàn)有疑慮（多為塑封器件），則筆者會推薦其借鑒《QC/T 1136-2020 電動汽車用絕緣柵雙極晶體管模塊環(huán)境試驗要求及試驗方法》。

在此標(biāo)準(zhǔn)中，溫度沖擊與溫度循環(huán)測試都納入了考核指標(biāo)。

在筆者運行的QE-01 Thermal Shock（TST）裝置中，熱電偶會貼在裝置底部（或模塊散熱器內(nèi)部）上，用來檢測裝置溫度在溫度箱溫度變換時間內(nèi)是否滿足tdwell>15min這一基本要求。

由于一些客戶強烈要求一小時內(nèi)能完成一次高低溫沖擊循環(huán)次數(shù)，箱體高/低極限溫度的設(shè)置會遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于設(shè)備的最高或最低儲存溫度，很容易導(dǎo)致1000個循環(huán)中設(shè)備損壞。故而，筆者建議客戶在TST實驗中，寧可通過延長恒溫時間而不是增加箱體溫度來達(dá)到實驗要求。

在壽命測試（QL）中，分別考量器件在極限溫度（高溫/低溫）、長時間耐壓（HTRB/HTGB/H3TRB）與多次開關(guān)循環(huán)（power cycling）條件下的失效。其中，功率循環(huán)測試（power cycling）為AQG-324標(biāo)準(zhǔn)中操作難度最高的測試項目，且具有最蹊蹺的判定要求。

功率循環(huán)是什么？

功率循環(huán)測試原理非常簡單（power cycling）：引入電流加熱芯片，再關(guān)閉電流時冷卻芯片，以此類推，在持續(xù)引起器件內(nèi)溫度分布不均與器件封裝材料物理特性（例如熱膨脹系數(shù)CTE）不同相結(jié)合導(dǎo)致器件內(nèi)互聯(lián)結(jié)構(gòu)逐漸老化，最終導(dǎo)致器件失效。

下圖是一個功率循環(huán)測試時電流導(dǎo)通和芯片溫度改變的例子。

下圖為功率循環(huán)測試（power cycling）中，器件內(nèi)部溫度分布以器件形變情況。

在功率循環(huán)測試（power cycling）過程中，通過采集器件熱阻參數(shù)與正向?qū)妷簛泶_定器件是否損壞。在測試過程中，如果發(fā)現(xiàn)器件正向?qū)妷旱耐蝗簧咔闆r，則表明器件內(nèi)部的鍵合線發(fā)生了脫落或者斷裂的情況。如果熱阻參數(shù)升高，則表明器件在散熱路徑上出現(xiàn)損傷。

在功率循環(huán)測試（power cycling）中的失效判定如下所示，其包含鍵合線失效與焊料層失效等多種失效模式。

功率循環(huán)測試（power cycling）是各類型測試標(biāo)準(zhǔn)中必備項目，然而其他標(biāo)準(zhǔn)與AQG-324的要求最大的不同之處在于AQG-324中并沒有規(guī)定功率循環(huán)測試的壽命要求。AEC-Q101標(biāo)準(zhǔn)要求如下：

其中，AEC-Q101標(biāo)準(zhǔn)是筆者最不推薦作為功率循環(huán)測試判定指標(biāo)的，因為在其標(biāo)準(zhǔn)設(shè)立之時，功率半導(dǎo)體器件還并未應(yīng)用于新能源車的主驅(qū)部分。

中國汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)確立秒級與分鐘級功率循環(huán)的測試指標(biāo)，其中分鐘級測試借鑒了AEC-Q101的測試要求。

AQG-324標(biāo)準(zhǔn)對功率循環(huán)的要求并不以具體的循環(huán)次數(shù)作為判定標(biāo)準(zhǔn)，而是需要在不同時間參數(shù)與溫度參數(shù)的條件下驗證產(chǎn)品方所提出的壽命模型（lifetime model）。

大部分客戶對于壽命模型的建立都比較陌生，對于不同產(chǎn)品間的壽命模型的比較方案也無經(jīng)驗。因此對于功率循環(huán)測試方案的設(shè)定成為AQG-324標(biāo)準(zhǔn)中重點。