如何保证与提高功率电子模块性能的可靠性

在可预见的将来，功率电子组件的使用将持续不断的增加。任何需要电力变换、转换或控制等功能都需使用各种形式的功率电子组件。如图1所示，功率电子组件广泛应用于各种不同的行业。红色圆圈所代表的是需要使用功率模块的行业，如汽车业（电动汽车、混合动力汽车、燃料电池汽车等其他轮式汽车）、可再生能源业（光伏逆变器、风力发电机、太阳能电站、卫星太阳能面板）、铁路设施（引擎组件、牵引控制系统）、以及高端马达驱动器。这些功率电子组件一般由多种IGBT（绝缘栅双极晶体管）或功率MOSFET（金属氧化物半导体场效晶体管）组成。

图1 功率电子组件的应用。红色圆圈表示需使用大功率模块的行业。在大功率电子行业中，电动汽车、混合动力汽车及其充电站对功率电子组件的需求都有显着增长。

可靠性挑战

对于使用IGBT或功率MOSFET的用户而言，可靠性是他们关注的首要议题。在这些行业中，产品的高可靠性和长使用寿命尤其重要。用户期望电动车在连续15至20年内不出现任何重大维修问题，而铁路产业则需持续使用至少30年或更久。对于时常派遣维修人员对离岸风力发电机进行维修显然是不可行的，卫星太阳面板甚至需永久性的使用。热失效是高可靠性无法实现的主要原因。功率循环会使IGBT芯片端产生的热通过模块并散发到周围环境中，其产生的应力及热会破坏模块。焊线可能因疲劳老化的原因而脱落或断裂，甚至进一步恶化导致完全失效。模块的封装内部层次，特别是芯片焊接处会因热-结构应力的作用下而脱层并破裂。在完全失效前，这些模块本可承受上万、甚至数以百万的功率循环次数。

那么，我们如何保证这些模块在其应用领域中能持续使用多年并且耐受成千上万次功率循环呢？这不仅仅是功率电子模块供货商的责任，也是相关产业供货商都必须克服的难题，无论是初期零组件供货商，抑或是最终产品的代工厂（O E M）都责无旁贷。若所生产的功率模块太早出现损坏的情况，则O E M厂应该为此负担保固、产品召回和声誉受损等损失。

功率模块的可靠性测试并不是一项新的挑战，但传统的模块测试过程非常漫长且具有不准确性和不确定性（图3）。一般可靠性的测试会将IGBT模块安装于设备上并提供规定的安培数进行功率循环的测试。组件在经过多次功率循环测试（500次、1000次、5000次等）之后，用户须将模块从设备上取下送往实验室进行检验，确认是否有故障。若没有故障则继续重复该循环测试直至模块最终失效为止。此时模块将被再次送往实验室进行检查，借由X光探伤、超声波检测、光学检测或破坏性的解剖方式来确定故障的原因。重复的功率循环测试和实验室检验非常耗时且无法在测试过程中实时观察到失效的产生，只能在最后确定组件是否失效。而若因多种不同原因所引起的失效则可能无法确定其确切的原因。

图3 传统的IGBT模块可靠性测试方法耗时、准确性低，无法在测试过程中实时观察到失效的产生，只能确定最后产品是否失效

新的可靠性测试方法

我们需要一种更有效、快速确定失效原因的测试方式。此方法要能在功率循环测试时量测模块中的电/热效应，并实时发现失效原因而不是依赖事后的诊断。为了满足以上的需求，唯有将功率循环和测试整合于同一设备中才能实现，使用户无须将模块从功率循环测试设备上取出送往实验室进行失效分析。Men tor Graphic s新推出的MicReD Industrial Power Tester 1500A就能提供这样的测试环境。图4是功率测试设备进行功率循环和实时测试/诊断的示意图。该测试设备利用MicRed T3Ster瞬时热特性技术对组件进行量测（如芯片封装、LED和系统）。主要特征有：

1） 采用触控屏幕来控制、定义模块的特性和测试顺序及方法。无论是专家、产品工程师或技术人员都能简单的学习和使用。软件能存储相关的参数供重复使用，能用来测试多个在线的样本或产品质量可靠性。

2） 1500A的电源可同时提供三个不同的模块进行测试，每个模块可单独使用的电流高达500A.电源切换的时间仅需不到100μs,这也是T3Ster设备在高准确性瞬时热特性测试中所要求的速度。

3） 循环测试时，用户可自行定义时间间隔来测试、记录模块的正向电压变化，其最大采样率高达到每秒100万个样本。这些数据都将显示在触控屏幕上并直接产生出“结构函数”。

4） 使用结构函数可实时分析模块各层结构，并发现任何因失效所可能产生的变化（芯片或黏接层脱离、破裂等）。这些信息都能协助确定失效产生的确切时间和原因。

5） 安全功能控制盒会监测任何潜在的危险因素，例如：烟、冷却板液体泄漏、设备过热等。一旦侦测到这些因素，测试设备将马上关闭所有的电源。但为了保存测试数据，不间断电源（UPS）仍将继续为计算机供电，直至所有数据得到安全保存。

结构函数的精密分析

结构函数的数学运算相当复杂，但值得花时间来了解这相关的技术。图5是一个典型的模块封装内部层次及其对应的结构函数示意图。在功率循环测试时，高功率（最大1500A）会输入至组件来进行加热，待稳态后则迅速关闭。依照JESD51-14标准，精细的（微伏）结正向电压变化会被量测记录下来，同时借由复杂的数学演算来建立出结构函数。

功率晶体管结所产生的热会经过各堆栈层，最终扩散到周围环境中，而结构函数显示出模块封装内部层次的等效模型，同时也表示热传导路径上的热阻和热容特性。沿着图中的蓝色曲线可了解结点到周围环境中的整体热传路径，横轴部分代表模块封装内部层次的热阻（如芯片焊点、基板焊点及导热膏），其结构较薄，无法储存太多热量，但热

阻较大。相反地，曲线中相对垂直的部分则代表有较大热容的堆栈层（储热能力较高，同时也会产生一些热阻），如基板。

结构函数会记录组件在功率循环测试过程中的实时变化，当我们发现结构函数出现变化时，如图6中所出现的较长的热阻部分，这表示模块封装内部层次中某一层（这里指的是基板焊锡层）发生变化。典型的热阻显着增加可能是因为封装内部层次脱层或破裂的关系，因为空气的热传导能力明显低于变化前固体的热传导能力。

图7是个实际的例子。该测试中，每5000次的功率循环测试都会得到一次结构函数。从测试开始到第15 000次功率循环测试后，绿色线所呈现的线形基本上不变，表明组件无任何失效或故障。在第20 000次功率循环测试后（橙色线），我们看到曲线有细微的偏差，这说明某层结构的热阻开始升高。在之后的25 000、30 000和35 000次功率循环后，线形显示某层结构出现显着劣化，最后导致组件失效。借由结合功率循环与实时监控结构函数的方式，我们可以观察到失效的产生并确定失效的原因，无须将组件从测试设备上取出便能对测试结果进行分析诊断。

图7 组件在功率循环测试35000次后明显失效

结合功率循环/量测系统的优点

与“传统”测试方法相比，此测试系统具有明显的优势。传统方法需要反复循环测试、拆卸组件、实验室验证等过程，非常耗时且无法确定故障原因。采用结合系统和结构函数的技术，用户可设置测试顺序并自动执行指令，将一开始正常的组件进行测试，直至产品失效，并能实时观察组件失效或故障的原因。此外，此设备可提供较大的电流，供应多个组件同时测试，从而提高处理能力，满足产品样本或质量测试的需求。

此测试设备可广泛应用于供应链中的各厂商。例如，功率电子模块供货商在模块的设计时间可使用该测试设备。设计完成后的样本生产过程中，同样可使用功率测试设备来测试样本的可靠性指标；若无法通过测试，则可对产品设计进行修改。此外，测试设备还能用来产生产品数据表上的可靠度规格，在生产过程的产品抽验也能使用此设备。初期零组件供货商可使用功率测试设备来验证功率电子供货商所提供的可靠度规格，对原始设计进行测试。最后，高可靠度产品的制造商可借此设备来进行最终的合格性测试，以保证公司产品的高质量。