為了保證產(chǎn)品的耐久性能,也就是產(chǎn)品使用的壽命。IGBT模塊廠家在產(chǎn)品定型前都會做一系列的可靠性試驗,以確保產(chǎn)品的長期耐久性能。一般常見的測試的項目如下圖所示。
這出自一份英飛凌關(guān)于3300V IHV-B封裝產(chǎn)品系列的產(chǎn)品認(rèn)證報告Product Qualification Report。這個報告里的測試項目,除了ESD靜電測試以外,都是和IGBT模塊的壽命相關(guān)的。壽命相關(guān)測試可以分成兩部分,一部分是對于芯片本身壽命的考核,另一部分是對機械連接的考核。其中對芯片本身壽命的考核有如下內(nèi)容:
HTRB,高溫高壓反偏測試,測試IGBT芯片的耐高壓的可靠性。
HTGB,高溫門極應(yīng)力測試,測試IGBT芯片門極的耐壓可靠性。
H3TRB,高溫高濕反偏測試,測試IGBT芯片在高濕環(huán)境的可靠性。
HV-H3TRB,高壓高溫高濕反偏測試,這是H3TRB的更嚴(yán)苛版本,因為高濕的本質(zhì)是對芯片鈍化層的一種腐蝕,而高壓會加速這種腐蝕。
上述幾條主要是評估芯片的耐久性,在這些測試條件下,只要時間足夠長,芯片肯定會壞的。
對于IGBT模塊來說,模塊外部是外殼和金屬端子,內(nèi)部不僅有芯片,還有綁定線,還有絕緣陶瓷襯底,還有焊接層,我們統(tǒng)稱機械連接。那如何評估這些機械連接的耐久性呢?這就是功率循環(huán),熱循環(huán),熱沖擊,以及振動測試。
IGBT模塊壽命評估現(xiàn)狀
目前技術(shù)水平下可實施的IGBT模塊壽命評估方法——金屬、焊接、機械疲勞的相關(guān)壽命
目前公認(rèn)最能反映出金屬疲勞實際壽命的算法——雨流計數(shù)法
目前公認(rèn)的最有效的IGBT模塊壽命評估的實驗依據(jù)——功率、熱循環(huán)測試能力
由于芯片的可靠性以及抗振動能力沒有一個業(yè)界公認(rèn)的計算方式去把加速實驗結(jié)果和實際的使用壽命聯(lián)系起來,而功率、熱循環(huán)目前是有比較準(zhǔn)確的方法去折算實際使用壽命的,并且對于目前的大部分常見的封裝工藝來說,功率、熱循環(huán)還是實際使用壽命中的短板,所以有必要研究功率循環(huán),以計算出更準(zhǔn)確的實際壽命能力。
什么是功率循環(huán)?
功率循環(huán)power
cycling顧名思義就是讓芯片間歇流過電流產(chǎn)生間隙發(fā)熱功率,從而使芯片溫度波動。因為熱源為芯片自身發(fā)熱,所以一般稱之為主動加熱。功率循環(huán)的周期一般為3~5秒。
功率循環(huán)對IGBT模塊損傷的機理,主要是銅綁定線熱膨脹系數(shù)與芯片表面鋁層熱膨脹系數(shù)不同,芯片熱膨脹系數(shù)與DBC板不同導(dǎo)致的。損傷的結(jié)果主要是綁定線脫落,斷裂,芯片焊層分離。
芯片焊層的分離有兩種模式,含鉛的焊層一般從邊緣向中心逐漸分離,而錫銀材料的焊層一般從中心向邊緣逐漸分離。
如何進行功率、熱循環(huán)測試?
IEC60749-34描述了可靠性實驗電路連接的方法,而IEC60747-9描述了IGBT參數(shù)的測試方法,以及失效標(biāo)準(zhǔn)的判據(jù)。對于功率循環(huán),如果器件的導(dǎo)通壓降超過初始值的5%或者熱阻超過初始值的20%,即判定為失效。
然而,業(yè)界的功率循環(huán)測試加載的方法并不統(tǒng)一,Impact of Test control Strategy on Power Cycling Lifetime這篇文章中論述了四處加載方法:
恒定的導(dǎo)通及關(guān)斷時間:在測試過程中始終保持恒定的導(dǎo)通時間,關(guān)斷時間及導(dǎo)通電流。
恒定的殼溫Tc波動:逐漸關(guān)少導(dǎo)通的時間維持恒定的殼溫波動
恒定的功率Pv:在測試過程中,通過減少導(dǎo)通電流來始終保持恒定的功率
恒定的結(jié)溫Tj波動:在測試過程中,減少導(dǎo)通的時間來維持恒定的結(jié)溫波動
下圖是測試結(jié)果,可以看出四種測試方法對用一種IGBT模塊的測試結(jié)果相差非常大。采用恒定的導(dǎo)通及關(guān)斷時間,器件在35000個cycle時就失效了,第二種恒定殼溫的方法在45000 cycle時失效,第三種恒功率法大概在不到70000個cycle時失效,而使用第四種恒結(jié)溫法的話,器件壽命可以達到95000個cycle以上。這個結(jié)果也是比較好理解的,我們知道,功率循環(huán)的次數(shù)與結(jié)溫波動量密切相關(guān),隨著功率循環(huán)的進行,被測器件導(dǎo)通壓降及熱阻勢必上升,如果導(dǎo)通時間及導(dǎo)通電流恒定的話,那么在老化后期器件結(jié)溫會高于測試初期,器件所能承受的功率循環(huán)次數(shù)必然會少于恒定結(jié)溫法。
下面是開米尼茨大學(xué)的研究結(jié)果,他們列舉了6種測試方法,其中恒功率法分為通過調(diào)節(jié)導(dǎo)通電流和調(diào)節(jié)門極電壓兩種方法,而恒定結(jié)溫法分為通過調(diào)節(jié)導(dǎo)通電流、門極電壓和導(dǎo)通時間三種方法。其中最嚴(yán)苛的恒定脈沖法,與最寬松的減小導(dǎo)通時間維持恒定結(jié)溫法的結(jié)果相差在百分之五十以上。
這是一個非常巨大的差距,所以在判斷一款功率器件PC壽命的時候,不光要看功率循環(huán)的cycle值是多少,更要看測試的方法是什么。英飛凌模塊的功率循環(huán)曲線是依照最嚴(yán)苛的條件,也就是恒定導(dǎo)通時間和導(dǎo)通電流的方法來測試的,保證產(chǎn)品具有最高等級的可靠性。
測試的樣品比較是有限的,那有限樣品下的壽命結(jié)果如何能科學(xué)的統(tǒng)計為一個可信的壽命值呢?那就是另一個有意思的話題了,有興趣的同學(xué)可以看看這篇論文。
我們下次再聊。