功率半导体器件功率循环测试与控制策略

导 读

功率循环测试是一种功率半导体器件的可靠性测试方法，被列为AEC-Q101与AQG-324等车规级测试标准内的必测项目。与温度循环测试相比，功率循环是通过器件内部工作的芯片产生热量，使得器件达到既定的温度；而温度循环则是通过外部环境强制被测试器件达到测试温度。

简而言之，一个是运动发热，一个是高温中暑。

功率循环测试

功率循环测试

由于在功率循环测试中的被测试器件的发热部分集中在器件工作区域，其封装老化（aging）模式与正常工作下的器件相类似，故功率循环测试被认可为最接近于实际应用的功率器件可靠性测试而受到广泛的关注。

功率循环测试过程中，器件内部温度分布以及应力变化

功率循环测试台

功率循环测试台是用于功率器件进行功率循环测试的设备，其设计原理并不复杂。在试验台中，通过电流源供给负载电流给被测试器件，电流/电压探头实时监控被测试器件的电流/电压数据，控制器操控电流源实现负载电流按既定时间中断。设备整体的主要成本在电流源与控制器，设备的设计难度在于程序控制以及数据采集硬件。

功率循环测试设备简图

检测时间点和被测参数

在功率循环测试过程中，直接检测的数据是器件电压降，负载电流以及器件底部温度。通过选取数据采样的时间点，收集被测试器件在最高温与最低温时的电压与器件底部温度变化，进而通过计算得出器件芯片温度变化以及器件内部的热阻变化。

功率循环测试中，检测时间点以及被测试参数

由于大多数器件在测试中是处于被封装状态，其内部温度不可通过直接手段进行检测，故在功率循环测试中，器件内部芯片的温度是采用K系数的方式进行间接计算而获得的。K系数代表器件芯片的温度敏感电学参数，其选取的原则在于简单、可靠、敏感度高。硅基IGBT芯片的温度一般采用Vce（集电极-发射极电压）进行计算。同时Vce也能反映IGBT器件内部电流路径的老化情况，5%的Vce增加被认定为器件损坏的标准。

IGBT器件的K系数（Vce-Tj 拟合线）

被测试器件的热阻在功率循环测试中应当被实时监控，因为其反映了器件散热能力的变化。热阻通过下列方程简单计算得出，20%的Rth增长被认定为器件失效的标准。

以下列功率循环测试中收集的数据为例，Vce在427.4k循环数左右发生阶段跳跃，同时器件芯片的最高温度（Tj,high）上升明显。这表明器件芯片表面的键合线出现断裂或脱落。而Rth无明显变化，表明器件内部散热层老化情况不明显。

功率循环测试中的数据

上图中的功率循环测试数据有一个明显的缺陷，即测试数据的噪声较大，无法准确反映器件内部的真实情况。出现这种缺陷的原因有：被测试器件电学连接不规范，功率循环测试设备的精度有限，测试数据监测时间点的选取失误等等。

功率循环测试-控制策略

功率循环测试-控制策略

在功率循环测试之中，被测试器件通过自身功率损耗引起的发热来达到测试预设温度。其中，器件结温与其他参数的基本关系可由以下公式概括：

由上可知，测试所需要的器件结温（Tj）可以通过调整器件的功率损耗（I*V），热阻（Rth）以及冷却板温度（Tc，即壳温，此处近似为冷却温度）来获得。同时，器件导通时间（ton）也会对器件的结温有所影响。

在上一讲的介绍中，标准的功率循环测试即通过下图的测试电路实现。被测试器件在固定导通时间，冷却时间以及负载电流的情况下进行测试。由于键和线以及焊料层在测试过程中逐渐老化，器件的功率损耗随之提升，而器件散热情况逐渐恶化，两者结合造成器件结温升高并进一步加快器件封装的损坏速度，最终使器件失效。

功率循环测试设备简图

功率循环测试-测试汇总

然而功率循环测试的控制策略并不仅此一种，壳温Tc，功率损耗Pv以及结温Tj皆可通过其他参数的调试使之在测试中保持恒定，用以量度器件在不同操作环境下的功率循环寿命。U. Scheuermann以及G. Zeng等人在控制策略的影响方面进行了深入的研究。

在U. Scheuermann的研究中，壳温差（dTc），功率损耗（Pv）与结温差（dTj）在测试过程中分别通过不同的参数调试而被固定，其中，器件的初始结温差（dTj）都为125开尔文。最终测试结果可知，标准的功率循环测试相对于采用其他测试控制策略的测试更为严苛，器件的测试寿命最短。然而，测试控制策略的类型并未影响器件的失效机理，器件皆因键和线脱落而失效。芯片底部焊料层的情况在U. Scheuermann的研究中并未得到体现。

U. Scheuermann，不同控制策略下功率循环测试汇总

U. Scheuermann，不同控制策略下功率循环测试的结果

下图中的键和线由于器件温度以及电流分布不均造成熔断。此种现象主要发生在当部分键和线已经脱落，而残存的键和线无法负荷导通电流的情况下。

U. Scheuermann，功率循环测试造成的键和线失效

在G. Zeng的研究中，功率损耗（Pv）与结温差（dTj）在测试过程中被固定，其所选择的调控参数相对于U. Scheuermann的研究更为细化。但是结温差dTj=87 K的初始实验条件相较于U. Scheuermann的125 K差距较大，造成不同的失效机理（焊料层老化失效），使二者无法进行直接对比。但相同的是，固定导通、冷却时间在G. Zeng的研究中仍然属于最严苛测试控制策略。

G. Zeng，不同控制策略下功率循环测试汇总

下图是功率循环测试中所得到的监测参数曲线，可以明显看出结温差（dTj）与热阻值（Rth）在测试过程中同步变化，可知器件散热恶化是造成器件温度上升的主要因素。此种类型的测试参数曲线多出现于结温差较低的测试中。

G. Zeng，标准功率循环测试中的参数监测

芯片底部的焊料层老化可以通过超声波扫描显微技术进行直观的比较。

G. Zeng，功率循环测试造成的芯片底部焊料层失效

功率循环测试-标准控制策略

通过的已有的研究，可知标准的功率循环测试控制策略，即固定导通与冷却时间以及负载电流的方法，可以最快速的得到器件的功率循环测试寿命。此种控制策略由于其测试操作简便，设备结构简单，效率高，贴近于实际应用场景的优点，被广大厂商所采用的。其他类型的测试控制策略仅存在于特殊的测试需求中。

同时，IEC，AQG324等测试标准中，固定导通与冷却时间的控制策略被列为标准的测试操作规范，通过更改测试控制策略来延长器件测试寿命从而通过测试标准的手段在此无法生效。

审核编辑 黄宇