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(chǎng)家在產(chǎn)品定型前都會(huì)做一系列的可靠性試驗(yàn)，以確保產(chǎn)品的長(zhǎng)期耐久性能。一般常見(jiàn)的測(cè)試的項(xiàng)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(bào)告Product Qualification Report。這個(gè)報(bào)告里的測(cè)試項(xiàng)目，除了ESD靜電測(cè)試以外，都是和IGBT模塊的壽命相關(guān)的。壽命相關(guān)測(cè)試可以分成兩部分，一部分是對(duì)于芯片本身壽命的考核，另一部分是對(duì)機(jī)械連接的考核。其中對(duì)芯片本身壽命的考核有如下內(nèi)容：

• HTRB，高溫高壓反偏測(cè)試，測(cè)試IGBT芯片的耐高壓的可靠性。

• HTGB，高溫門(mén)極應(yīng)力測(cè)試，測(cè)試IGBT芯片門(mén)極的耐壓可靠性。

• H3TRB，高溫高濕反偏測(cè)試，測(cè)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(cè)試，這是H3TRB的更嚴(yán)苛版本，因?yàn)楦邼竦谋举|(zhì)是對(duì)芯片鈍化層的一種腐蝕，而高壓會(huì)加速這種腐蝕。

上述幾條主要是評(píng)估芯片的耐久性，在這些測(cè)試條件下，只要時(shí)間足夠長(zhǎng)，芯片肯定會(huì)壞的。

對(duì)于IGBT模塊來(lái)說(shuō)，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(xiàn)，還有絕緣陶瓷襯底，還有焊接層，我們統(tǒng)稱(chēng)機(jī)械連接。那如何評(píng)估這些機(jī)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(dòng)測(cè)試。

IGBT模塊壽命評(píng)估現(xiàn)狀

• 目前技術(shù)水平下可實(shí)施的IGBT模塊壽命評(píng)估方法——金屬、焊接、機(jī)械疲勞的相關(guān)壽命

• 目前公認(rèn)最能反映出金屬疲勞實(shí)際壽命的算法——雨流計(jì)數(shù)法

• 目前公認(rèn)的最有效的IGBT模塊壽命評(píng)估的實(shí)驗(yàn)依據(jù)——功率、熱循環(huán)測(cè)試能力
            

由于芯片的可靠性以及抗振動(dòng)能力沒(méi)有一個(gè)業(yè)界公認(rèn)的計(jì)算方式去把加速實(shí)驗(yàn)結(jié)果和實(shí)際的使用壽命聯(lián)系起來(lái)，而功率、熱循環(huán)目前是有比較準(zhǔn)確的方法去折算實(shí)際使用壽命的，并且對(duì)于目前的大部分常見(jiàn)的封裝工藝來(lái)說(shuō)，功率、熱循環(huán)還是實(shí)際使用壽命中的短板，所以有必要研究功率循環(huán)，以計(jì)算出更準(zhǔn)確的實(shí)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(guò)電流產(chǎn)生間隙發(fā)熱功率，從而使芯片溫度波動(dòng)。因?yàn)闊嵩礊樾酒陨戆l(fā)熱，所以一般稱(chēng)之為主動(dòng)加熱。功率循環(huán)的周期一般為3~5秒。
 

功率循環(huán)對(duì)IGBT模塊損傷的機(jī)理，主要是銅綁定線(xiàn)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(xiàn)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(jìn)行功率、熱循環(huán)測(cè)試？

IEC60749-34描述了可靠性實(shí)驗(yàn)電路連接的方法，而IEC60747-9描述了IGBT參數(shù)的測(cè)試方法，以及失效標(biāo)準(zhǔn)的判據(jù)。對(duì)于功率循環(huán)，如果器件的導(dǎo)通壓降超過(guò)初始值的5%或者熱阻超過(guò)初始值的20%，即判定為失效。

然而，業(yè)界的功率循環(huán)測(cè)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：

1. 恒定的導(dǎo)通及關(guān)斷時(shí)間：在測(cè)試過(guò)程中始終保持恒定的導(dǎo)通時(shí)間，關(guān)斷時(shí)間及導(dǎo)通電流。
             

2. 恒定的殼溫Tc波動(dòng)：逐漸關(guān)少導(dǎo)通的時(shí)間維持恒定的殼溫波動(dòng) 

3. 恒定的功率Pv：在測(cè)試過(guò)程中，通過(guò)減少導(dǎo)通電流來(lái)始終保持恒定的功率

4. 恒定的結(jié)溫Tj波動(dòng)：在測(cè)試過(guò)程中，減少導(dǎo)通的時(shí)間來(lái)維持恒定的結(jié)溫波動(dòng)

下圖是測(cè)試結(jié)果，可以看出四種測(cè)試方法對(duì)用一種IGBT模塊的測(cè)試結(jié)果相差非常大。采用恒定的導(dǎo)通及關(guān)斷時(shí)間，器件在35000個(gè)cycle時(shí)就失效了，第二種恒定殼溫的方法在45000 cycle時(shí)失效，第三種恒功率法大概在不到70000個(gè)cycle時(shí)失效，而使用第四種恒結(jié)溫法的話(huà)，器件壽命可以達(dá)到95000個(gè)cycle以上。這個(gè)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(dòng)量密切相關(guān)，隨著功率循環(huán)的進(jìn)行，被測(cè)器件導(dǎo)通壓降及熱阻勢(shì)必上升，如果導(dǎo)通時(shí)間及導(dǎo)通電流恒定的話(huà)，那么在老化后期器件結(jié)溫會(huì)高于測(cè)試初期，器件所能承受的功率循環(huán)次數(shù)必然會(huì)少于恒定結(jié)溫法。

下面是開(kāi)米尼茨大學(xué)的研究結(jié)果，他們列舉了6種測(cè)試方法，其中恒功率法分為通過(guò)調(diào)節(jié)導(dǎo)通電流和調(diào)節(jié)門(mén)極電壓兩種方法，而恒定結(jié)溫法分為通過(guò)調(diào)節(jié)導(dǎo)通電流、門(mén)極電壓和導(dǎo)通時(shí)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(shí)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(gè)非常巨大的差距，所以在判斷一款功率器件PC壽命的時(shí)候，不光要看功率循環(huán)的cycle值是多少，更要看測(cè)試的方法是什么。英飛凌模塊的功率循環(huán)曲線(xiàn)是依照最嚴(yán)苛的條件，也就是恒定導(dǎo)通時(shí)間和導(dǎo)通電流的方法來(lái)測(cè)試的，保證產(chǎn)品具有最高等級(jí)的可靠性。

測(cè)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(jì)為一個(gè)可信的壽命值呢？那就是另一個(gè)有意思的話(huà)題了，有興趣的同學(xué)可以看看這篇論文。

我們下次再聊。