功率循環(huán)測(cè)試助力車用IGBT性能提升 - 全文

　　汽車功率電子組件（例如IGBT）的設(shè)計(jì)必須能負(fù)荷數(shù)千小時(shí)的工作時(shí)間和上百萬次的功率循環(huán)，同時(shí)得承受高達(dá) 200℃的溫度。因此產(chǎn)品的可靠性特別關(guān)鍵，而同時(shí)故障成本也會(huì)是一個(gè)很大的問題。隨著工業(yè)電子系統(tǒng)對(duì)能量需求的增加，汽車功率電子設(shè)備和組件的供貨商所面臨的最大挑戰(zhàn)就是提供汽車OEM業(yè)者所需更高可靠度的系統(tǒng)。

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

　　所有的技術(shù)都有助于改善組件中的熱傳路徑。但是，功率循環(huán)過程和熱效應(yīng)所產(chǎn)生的熱及熱機(jī)械應(yīng)力仍然會(huì)造成系統(tǒng)故障。這些應(yīng)力可能會(huì)導(dǎo)致很多問題，如封裝鍵合線降級(jí)、黏貼層疲勞、堆棧脫層以及芯片或基板破裂。

　　結(jié)點(diǎn)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(huán)測(cè)試是仿效模塊生命周期的理想方式，因根據(jù)所應(yīng)用的領(lǐng)域，IGBT模塊的切換次數(shù)是可被預(yù)測(cè)。

　　本文主要描述結(jié)合功率循環(huán)測(cè)試和熱瞬態(tài)測(cè)試的測(cè)量研究，在此試驗(yàn)中主要是利用功率循環(huán)測(cè)試造成組件故障，同時(shí)在不同的穩(wěn)態(tài)之間進(jìn)行熱瞬態(tài)測(cè)量，用以確定IGBT樣品的故障原因。這類型的測(cè)試能適當(dāng)協(xié)助重新設(shè)計(jì)模塊的物理結(jié)構(gòu)，此外根據(jù)需求，它還可以模擬熱機(jī)械應(yīng)力的輸入。

　　測(cè)試的主要目的是利用可重復(fù)性的流程來研究當(dāng)前IGBT模塊中常出現(xiàn)的故障模式。然而，這些測(cè)試的數(shù)量并不足以預(yù)測(cè)產(chǎn)品的壽命期，但我們能藉此了解并試驗(yàn) IGBT芯片中的降級(jí)過程。我們首先對(duì)樣品進(jìn)行熱瞬態(tài)測(cè)試，測(cè)量結(jié)果顯示，組件在熱瞬態(tài)試驗(yàn)過程中，不同穩(wěn)態(tài)之間所需要的時(shí)間為180秒。組件在輸入 10A的驅(qū)動(dòng)電流時(shí)可達(dá)到最高溫，接著在開始測(cè)量時(shí)則切換至100mA的感測(cè)電流。

　　圖1顯示樣品在最初「健康」?fàn)畹男?zhǔn)基礎(chǔ)。結(jié)構(gòu)函數(shù)是一維、縱向態(tài)下的熱瞬態(tài)函數(shù)。此曲線和相對(duì)應(yīng)熱傳的模型。在許多常用的三維幾何的結(jié)構(gòu)函數(shù)可作為封裝結(jié)構(gòu)詳細(xì)數(shù)值形狀中，結(jié)構(gòu)函數(shù)是「實(shí)質(zhì)」的一維熱傳模型，例如圓盤中的徑向擴(kuò)散（極坐標(biāo)系中的一維流）、球面擴(kuò)散、錐形擴(kuò)散等。

　　圖1 IGBT的熱瞬態(tài)反應(yīng)。

　　因此結(jié)構(gòu)函數(shù)可概括地辨認(rèn)出外型/材料參數(shù)。結(jié)構(gòu)函數(shù)可藉由加熱或冷卻曲線的數(shù)學(xué)計(jì)算直接轉(zhuǎn)換求得。這些曲線可從實(shí)際測(cè)量結(jié)果或利用詳細(xì)的結(jié)構(gòu)模型仿真熱傳路徑來獲得。

　　創(chuàng)建熱仿真模型

　　接著我們建立并驗(yàn)證詳細(xì)的三維（3D）模型以便分析結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度分布。所有的幾何參數(shù)都會(huì)在組件發(fā)生故障并拆解后進(jìn)行測(cè)量。圖2是仿真模型的外觀（圖3是其剖面結(jié)構(gòu)）。我們藉由調(diào)整材料參數(shù)，直到瞬態(tài)仿真結(jié)果所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)函數(shù)與測(cè)量結(jié)果的結(jié)構(gòu)函數(shù)相重合，如此一來我們可以確保所建立的模型運(yùn)作方式與實(shí)際組件完全相同。此流程需要進(jìn)行多次的反復(fù)計(jì)算。

　　圖 2 仿真模型的外觀。

　　圖3 IGBT模塊結(jié)構(gòu)圖。

　　依據(jù)所測(cè)量的幾何外型以及對(duì)材料參數(shù)的猜測(cè)所創(chuàng)建的基礎(chǔ)模型顯示，熱瞬態(tài)的傳遞路徑與實(shí)際組件有明顯差異。此類偏差可藉由校準(zhǔn)模型且不斷地改善模型參數(shù)予以排除。最后可將瞬態(tài)仿真所獲得的結(jié)構(gòu)函數(shù)（圖4中的紅色曲線）與實(shí)際組件的測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)函數(shù)（藍(lán)色曲線）相互重迭。

　　圖4 基礎(chǔ)模型的仿真結(jié)果。

　　接著利用合適的封裝內(nèi)部特征來校準(zhǔn)組件，然后沿著向外的熱傳路徑方向，不斷地?cái)M合不同區(qū)域的熱容和熱阻值。為了正確地校正熱容值，我們需確保芯片的實(shí)體尺寸正確無誤，且熱源區(qū)域的設(shè)定正確。在這種情況下，需要增加受熱面積直到芯片區(qū)域的熱容值在結(jié)構(gòu)函數(shù)中互相重迭。

　　此外還需確保陶瓷層的熱阻設(shè)定在適當(dāng)?shù)姆秶?。隨著陶瓷的熱傳導(dǎo)系數(shù)升高，結(jié)構(gòu)函數(shù)中相對(duì)應(yīng)的熱阻區(qū)域可能需降低以達(dá)到另一部份的重迭。下一步則是將組件與冷板間的銅底層和接口材料（TIM）設(shè)定在適當(dāng)?shù)臒醾鲗?dǎo)系數(shù)，使曲線能正確地相互匹配（圖5）。

　　圖5 模型校準(zhǔn)后的所得到的結(jié)構(gòu)函數(shù)。模擬值（藍(lán)色）、測(cè)量值（紅色）。

　　在功率測(cè)試設(shè)備中試驗(yàn)組件

　　一旦IGBT熱結(jié)構(gòu)的初始狀態(tài)被記錄后，組件就可以進(jìn)行可靠性測(cè)試來評(píng)估其長時(shí)間的表現(xiàn)。我們利用導(dǎo)熱貼片將所選的IGBT模塊固定在水冷式冷板上。導(dǎo)熱貼片的導(dǎo)熱性比起大部分的導(dǎo)熱膏和導(dǎo)熱膠還差，但是它在先前的實(shí)驗(yàn)中顯示出了極佳的熱穩(wěn)定性，因此不會(huì)影響測(cè)試的結(jié)果。此時(shí)冷板溫度設(shè)置為25℃。

　　測(cè)試中的模塊包含兩個(gè)半橋模塊，即四個(gè)IGBT。將組件的閘級(jí)連接到汲極，同時(shí)半橋模塊使用獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電流供電（見圖6）。所有IGBT分別連接到熱瞬態(tài)測(cè)試設(shè)備的通道。

　　圖 6 用于功率循環(huán)和熱瞬態(tài)測(cè)試的 IGBT電路圖。

　　為了加速功率循環(huán)測(cè)試的流程，我們迫使組件產(chǎn)生100℃的溫差變化。選擇此數(shù)值是為了確保結(jié)溫最高可達(dá)125℃，這是組件所允許的最高溫度。同時(shí)我們也輸入最大的功率以縮短循環(huán)時(shí)間，并選擇適當(dāng)?shù)臅r(shí)間來達(dá)到100℃的溫度變化。此IGBT模塊可負(fù)載最大80A的電流，但是由于組件的壓降過高，額定功率就變成了限制因素。根據(jù)先前的測(cè)試結(jié)果，此試驗(yàn)選擇25A作為加熱電流。

　　測(cè)試過程輸入200W的功率并加熱3秒使芯片升溫到125℃。所需的冷卻時(shí)間則應(yīng)確保芯片有足夠的時(shí)間冷卻下來，且平均溫度在測(cè)試過程中不會(huì)發(fā)生變化。圖7顯示了時(shí)間和溫度的分布圖。

　　圖7 功率循環(huán)期間的功率和結(jié)溫變化圖。

　　不論是壓降產(chǎn)生變化還是熱阻升高，所輸入的加熱電流和時(shí)間在整個(gè)測(cè)試過程中均保持不變。在每次循環(huán)測(cè)試中，組件冷卻過程的瞬態(tài)變化都被記錄下來以便能夠連續(xù)地監(jiān)測(cè)結(jié)溫的變化。而每經(jīng)過200次的循環(huán)，都會(huì)使用10A的加熱電流來測(cè)量完整的瞬態(tài)變化以檢查熱流路徑的結(jié)構(gòu)完整性。

　　閘級(jí)氧化層損壞所引發(fā)的故障——非封裝鍵合線的缺陷

　　在測(cè)試過程中，功率循環(huán)測(cè)試會(huì)一直持續(xù)直到達(dá)到失效標(biāo)準(zhǔn)，即組件完全損壞（短路或斷路）。在受測(cè)的四個(gè)IGBT組件中，其中之一（樣品3）發(fā)生故障的時(shí)間明顯地早于其他組件，只有 10，158次的功率循環(huán)（圖8）。過早損壞發(fā)生的原因可能是組件放在冷板上時(shí)貼附不當(dāng)，或其他隨機(jī)的錯(cuò)誤。其他三個(gè)組件，即樣品0、1和2顯示出相似的表現(xiàn)，分別在經(jīng)過40，660、41，476和43，489次循環(huán)后發(fā)生故障。

　　圖8 組件故障所經(jīng)過的功率循環(huán)次數(shù)。

　　在所有IGBT都發(fā)生故障之后，模塊會(huì)被拆除并檢查芯片和封裝鍵合線的狀況。圖9是其中一個(gè)測(cè)試芯片的照片，顯示出在測(cè)試期間有多條封裝鍵合線斷裂，芯片表面有一個(gè)區(qū)域發(fā)生燒毀，這可能是在輸入高電流時(shí)線路脫落而產(chǎn)生電弧所造成。

　　圖9 封裝鍵合線斷裂和芯片表面燒毀。

　　盡管封裝鍵合線出現(xiàn)明顯的缺陷，但是斷裂的封裝鍵合線并未造成器件故障。所有芯片失效的原因都是因?yàn)檫^熱和閘級(jí)氧化層損壞導(dǎo)致。這些效應(yīng)隨后都可經(jīng)電性測(cè)試來進(jìn)行檢查和追蹤─封裝鍵合線破裂會(huì)可由VCE（集極-射極）電壓升高顯現(xiàn)，閘級(jí)氧化層損壞可造成IG（閘級(jí)漏電流）升高。在設(shè)計(jì)IGBT功率循環(huán)設(shè)備時(shí)，這些參數(shù)都應(yīng)當(dāng)需要測(cè)量。

　　此外為了解過熱的原因，基板和底板之間的連接點(diǎn)以及芯片黏貼層都需要加以研究，這也是為何需要校準(zhǔn)仿真模型的原因。圖10顯示兩個(gè)相鄰IGBT的溫度分布圖，此圖是使用校準(zhǔn)后的詳細(xì)模型來仿真加熱后的溫度現(xiàn)象。相鄰芯片之間的熱耦合影響忽略不計(jì)，因此每個(gè)芯片可以單獨(dú)地測(cè)試。

　　圖 10 仿真單一半橋模塊在加熱 3 秒鐘之后的溫度分布。

　　由于加熱時(shí)間短，基板-底板連接點(diǎn)的最大溫升僅為71℃，但是芯片粘貼層溫度升高超過100℃。結(jié)果顯示，結(jié)構(gòu)中最易受損的地方是芯片粘貼層的材料。

　　定期測(cè)量所獲得的熱瞬態(tài)值會(huì)依據(jù)不同的功率循環(huán)次數(shù)來產(chǎn)生不同的結(jié)構(gòu)函數(shù)。圖11顯示每5，000次循Power Cycles 環(huán)測(cè)試后所對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)函數(shù)的影響。在第一階熱容值后，平坦區(qū)域?qū)?yīng)的是芯片粘貼層材料。組件結(jié)構(gòu)在17，000次循環(huán)之前仍很穩(wěn)定；但是在此之后，芯片粘貼層材料明顯發(fā)生降級(jí)，且其熱阻持續(xù)升高直到組件發(fā)生故障。

　　圖11 樣品0在不同時(shí)間點(diǎn)下所測(cè)量的結(jié)構(gòu)函數(shù)。

　　圖 12所顯示的是芯片粘貼層的熱阻除以系統(tǒng)的初始總熱阻，并依功率循環(huán)測(cè)試的次數(shù)所繪制的圖形。此結(jié)果可確認(rèn)該黏貼層在15，000次循環(huán)之后迅速產(chǎn)生降級(jí)。因?yàn)樾酒迟N層材料發(fā)生了極大的變化導(dǎo)致熱傳路徑明顯改變，使其無法研究后一層的結(jié)構(gòu)。但后一層結(jié)構(gòu)中的降級(jí)也可合理預(yù)測(cè)，只不過它們與芯片粘貼層材料的問題相比可忽略不計(jì)。

　　圖12 芯片粘貼層熱阻與初始總熱阻的相對(duì)比值。

　　大約20，000次循環(huán)后，芯片粘貼層的降級(jí)影響越趨明顯，而在接下來的10，000次循環(huán)內(nèi)，組件節(jié)點(diǎn)至環(huán)境的總熱阻因循環(huán)而倍增。在30，000次循環(huán)后，因?yàn)闊醾鬟f路徑發(fā)生了變化，我們已無法確定芯片粘貼層的正確熱阻。