功率模塊的可靠性

功率模塊的可靠性，是指器件在一定時(shí)間內(nèi)、一定條件下無故障的運(yùn)行的能力，是功率模塊最重要的品質(zhì)特性之一。要滿足現(xiàn)代技術(shù)和生產(chǎn)的需要，獲得更高的經(jīng)濟(jì)效益，必須使用高可靠性的產(chǎn)品，這樣設(shè)計(jì)的產(chǎn)品才具有更高的市場競爭力。那么如何才能實(shí)現(xiàn)高的可靠性呢？這可以分為設(shè)計(jì)階段和批量生產(chǎn)兩個(gè)方面去實(shí)現(xiàn)：設(shè)計(jì)階段考慮之一：封裝材料的選取，比如芯片技術(shù)、焊接材料、外殼封裝材料、芯片鈍化層的材料；設(shè)計(jì)階段考慮之二：封裝連接工藝的采用，比如焊接工藝、燒結(jié)工藝、鍵合線的幾何形狀、彈簧連接；設(shè)計(jì)階段考慮之三：芯片的布局，比如實(shí)現(xiàn)更好的均流，降低電磁干擾的影響；批量生產(chǎn)中主要考慮穩(wěn)定的工藝實(shí)現(xiàn)過程及其精準(zhǔn)的控制。在設(shè)計(jì)階段對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行可靠性測試顯得尤為重要。賽米控所有的產(chǎn)品都根據(jù)相應(yīng)的國際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了以下可靠性測試：HTRB，高溫反偏測試HTGB，高溫門極反偏測試H3TRB，高溫高濕反偏測試HTS，高溫存儲(chǔ)測試LTS，低溫存儲(chǔ)測試TC，熱循環(huán)測試PC，功率循環(huán)測試Vibration，振動(dòng)測試Mechanicalshock，機(jī)械沖擊測試在整個(gè)測試過程中，必須對(duì)測試前、測試中、測試后的器件參數(shù)進(jìn)行測量和對(duì)比。對(duì)IGBT而言，當(dāng)測試參數(shù)出現(xiàn)以下變化時(shí)，就可認(rèn)為出現(xiàn)失效：HTRB高溫反偏測試高溫反偏測試主要用于驗(yàn)證長期穩(wěn)定情況下芯片的漏電流，考驗(yàn)對(duì)象是IGBT邊緣結(jié)構(gòu)和鈍化層的弱點(diǎn)或退化效應(yīng)。測試標(biāo)準(zhǔn)：IEC60747-9測試條件為：1000個(gè)小時(shí)，95%VCE(max)，125℃測試原理圖如下：在測試中，需持續(xù)監(jiān)測門極的漏電流和門極開通電壓，若這兩項(xiàng)參數(shù)超出指定規(guī)格，則模塊將不能通過此項(xiàng)測試。HTGB高溫門極反偏測試高溫門極反偏測試主要用于驗(yàn)證柵極漏電流的穩(wěn)定性，考驗(yàn)對(duì)象是IGBT柵極氧化層。測試標(biāo)準(zhǔn)：IEC60747-9測試條件為：1000個(gè)小時(shí)，VGE=±20V（+/-方向都需測試，各一半測試樣品）,Tj=Tj(max)測試原理圖如下：在測試中，需持續(xù)監(jiān)測門極的漏電流和門極開通電壓，若這兩項(xiàng)參數(shù)超出指定規(guī)格，則模塊將不能通過此項(xiàng)測試。H3TRB高溫高濕反偏測試高溫高濕反偏測試，也就是大家熟悉的雙85測試，主要用于測試濕度對(duì)功率器件長期特性的影響。測試標(biāo)準(zhǔn)：IEC60068-2-67測試條件為：1000個(gè)小時(shí)，環(huán)境溫度85℃，相對(duì)濕度85%，VCE=80V測試原理圖如下：在這一項(xiàng)測試中，施加的電場主要用于半導(dǎo)體表面離子積累和極性分子的驅(qū)動(dòng)力，但是為了避免測試過程中漏電流產(chǎn)生的溫升降低相對(duì)濕度，所以對(duì)于IGBT器件，一般選用80V做為測試電壓，這樣能將芯片的自加熱溫度控制在2℃以內(nèi)。最近的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)表明，許多現(xiàn)場失效與濕度有著不可分割的關(guān)系，因此引入了高壓高溫高濕反偏測試的討論，即HV-H3TRB測試。隨著IGBT芯片的技術(shù)更新，漏電流變的更低，對(duì)于阻斷電壓為1200V或更高的器件，測試電壓可調(diào)整為阻斷電壓的80%。這樣，可保證功率模塊在高濕度應(yīng)用情況下具有更高的可靠性。HTS高溫存儲(chǔ)測試LTS低溫存儲(chǔ)測試高溫存儲(chǔ)測試和低溫存儲(chǔ)測試主要用于驗(yàn)證模塊的整體結(jié)構(gòu)和材料的完整性，并確保與底板的絕緣性。比如塑料外殼、硅膠、芯片鈍化材料、DCB中的陶瓷，橡膠材料等等。測試標(biāo)準(zhǔn)：高溫IEC60068-2-2低溫IEC60068-2-1測試條件為：高溫1000個(gè)小時(shí)，環(huán)境溫度：125℃；低溫1000個(gè)小時(shí)，環(huán)境溫度：-40℃測試原理圖如下：測試前后需對(duì)比模塊的靜態(tài)性能參數(shù)，特別是絕緣性能，還有需要檢查模塊外觀是否發(fā)生發(fā)生裂紋等變化。TC熱循環(huán)測試熱循環(huán)測試主要是模擬外界溫度變化對(duì)功率模塊的影響。賽米控公司采用雙室氣體環(huán)境試驗(yàn)作為溫度循環(huán)試驗(yàn)，樣品在升降機(jī)的幫助下在冷卻室和加熱室之間周期性地上下移動(dòng)。試驗(yàn)器件是被動(dòng)地冷卻和加熱，為了確保每一層材料達(dá)到熱的平衡，循環(huán)時(shí)間相對(duì)較長。在測試過程中無需施加電壓或電流。測試標(biāo)準(zhǔn)：IEC60068-2-14；測試條件為：最低存儲(chǔ)溫度：-40℃，最高存儲(chǔ)溫度125℃，共100個(gè)循環(huán)。測試原理圖如下：此項(xiàng)測試主要是驗(yàn)證模塊的整體結(jié)構(gòu)和材料，特別是芯片與DCB、DCB與基板之間的連接。由于每一種材料的熱膨脹系數(shù)不一樣(CTE)，因此在這項(xiàng)測試中，較大面積的焊料層會(huì)受到最大的應(yīng)力。實(shí)驗(yàn)前后需對(duì)比電氣參數(shù)，特別是Rth(j-c)，也可使用超聲波掃描顯微鏡(SAM)對(duì)比評(píng)估焊料層的分層情況。PC功率循環(huán)測試對(duì)比溫度循環(huán)，在功率循環(huán)中，測試樣品通過流過半導(dǎo)體的電流進(jìn)行主動(dòng)加熱至最高目標(biāo)溫度，然后關(guān)斷電流，樣品主動(dòng)冷卻到最低溫度。循環(huán)時(shí)間相對(duì)較短，大約為幾秒鐘。此項(xiàng)測試的焦點(diǎn)主要是驗(yàn)證鍵合線與芯片，芯片到DCB之間連接的老化。在熱膨脹的過程中，由于芯片溫度最高，因此與芯片相連的鍵合線和與DCB相連的焊接層受力最大。測試標(biāo)準(zhǔn)：IEC60749-34測試條件為：Tj=100K，共20000個(gè)循環(huán)測試原理圖如下：在測試中，需持續(xù)監(jiān)測IGBT芯片的飽和壓降和溫度。標(biāo)準(zhǔn)功率模塊中，鍵合線脫離和焊料疲勞是主要的失效機(jī)理，對(duì)于使用了先進(jìn)燒結(jié)技術(shù)的模塊，主要失效為鍵合線脫離。主要表現(xiàn)為IGBT芯片的飽和壓降升高。同時(shí)也可使用超聲波掃描顯微鏡(SAM)對(duì)比評(píng)估焊料層的疲勞情況。賽米控創(chuàng)新的SKiN技術(shù)，用薄的柔性連接層替代了鋁鍵合線，這也消除了經(jīng)典模塊結(jié)構(gòu)中的一個(gè)弱點(diǎn)，大大地提高了模塊功率循環(huán)的可靠性。Vibration振動(dòng)測試Mechanicalshock機(jī)械沖擊測試這兩項(xiàng)測試都是用來驗(yàn)證機(jī)械結(jié)構(gòu)的整體性和電氣連接的穩(wěn)定性。二者之間的區(qū)別在于，振動(dòng)測試模擬的是運(yùn)輸、現(xiàn)場運(yùn)行中的機(jī)械應(yīng)力，所以對(duì)應(yīng)測試的振動(dòng)加速度較小，為5g，測試時(shí)間相對(duì)較長，X、Y、Z三個(gè)方向各振2個(gè)小時(shí)；而機(jī)械沖擊測試模擬的是模塊受到一個(gè)突然的較大的沖擊，所以對(duì)應(yīng)的振動(dòng)加速度較大，為30g，測試時(shí)間相對(duì)較短，每個(gè)方向各振3次。測試標(biāo)準(zhǔn)：振動(dòng)IEC60068-2-6機(jī)械沖擊IEC60068-2-27測試設(shè)備：在試驗(yàn)過程中，需對(duì)所有電氣連接的位置進(jìn)行監(jiān)測，同時(shí)試驗(yàn)前后對(duì)模塊的外觀和電氣參數(shù)進(jìn)行對(duì)比。除了以上標(biāo)準(zhǔn)的可靠性測試項(xiàng)目，針對(duì)不同的產(chǎn)品和技術(shù)，賽米控會(huì)進(jìn)行額外的可靠性測試項(xiàng)目。比如使用了彈簧技術(shù)的模塊，額外有微振動(dòng)測試、腐蝕性氣體測試等等項(xiàng)目。賽米控的封裝技術(shù)處于世界領(lǐng)先水平，其產(chǎn)品的可靠性也在業(yè)界享有較好的口碑。賽米控在封裝技術(shù)上不斷地創(chuàng)新，1975年發(fā)明第一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體