提升高功率半导体可靠性——使用Simcenter通过工业级热表征加速测试和故障诊断

 

内容摘要

消费和工业电子系统的能源需求都在增加。因此，电子电力元器件供应商和原始设备制造商(OEM)面临着提供航空、电动汽车、火车、发电和可再生能源生产所需的高可靠性系统的挑战。SimcenterTM MicredTM Power Tester 硬件旨在通过更快地测试和诊断出电力元器件可能的故障原因，帮助应对上述挑战。下面是两个使用绝缘栅双极晶体管(IGBT)模块的例子，用以说明如何解决这个问题。

序言

电力电子元器件（例如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、二极管、晶体管和IGBT）被广泛用于各种产生、转换和控制电能的场合。由于消费者和工业应用的能源需求不断增加，功率模块制造商所面临的挑战是要在保持高质量和高可靠性的同时，提高最大功率和电流负载能力。例如，铁路牵引应用的预期可靠使用寿命为30年，而对于纳入到混合动力和电动车的功率模块以及太阳能和风力涡轮机的能量生产系统而言，则要求循环数达到50,000到数百万。随着需求变得越来越紧迫，创新带来了一些新的技术，例如使用具有增强热传导系数的陶瓷基板和带式键合来取代粗封装键合线，以及使用无焊料芯片粘接技术来增强模块的功率循环能力等等。新的基板有助于降低温度，载带可载荷更大的电流，而且无焊料芯片粘接可以是烧结的银，具有特别低的热阻。简言之，就是对热流路径进行了改进。但是，这些系统上的热和热-机械应力仍然会造成相关的功率循环和散热故障。这些应力可能会导致很多问题，如封装键合线降级（图1）、焊接疲劳、叠层分层、芯片或基板破裂。传统上用于电源循环故障测试的过程重复且耗时。此过程只能在事后进行，并且必须在实验室中进行，以分析封装的内部状况。

图1.损坏的IGBT模块。

使用Simcenter Micred Power Tester

可加快测试和诊断速度

Simcenter Micred Power Tester是罕见的专为制造以及实验室环境设计的设备，它能够在自动功率循环的同时为正在发生的故障诊断生成实时分析数据（图2）。它用于更快地完成使用寿命测试，并可提高使用电力电子模块的应用系统可靠性。

 

 

图2.Simcenter Micred Power Tester专为半导体制造环境而设计。

Simcenter Micred Power Tester是用于电子元件、发光二极管(LED)和系统的Simcenter Micred T3STER硬件热测量和热特征提取技术的工业实施。Simcenter Micred Power Tester的独特功能可以在一台机器上同时进行全自动功率测试和循环，而不必在此过程中拆卸下被测器件的设备。其简单易用的触摸屏界面方便技术人员在生产车间内使用，也便于故障分析工程师在实验室中使用（图3）。

 

 

图3.Simcenter Micred Power Tester触摸屏界面（从左到右）：主屏幕、器件创建、在冷板上放置器件。

Simcenter Micred Power Tester可以感测电流、电压和芯片温度，并使用结构函数分析来记录封装结构中的变化或故障，这是分析MOSFET、IGBT和通用双极器件的首选。机器可用于增强和加速封装开发、可靠性测试，以及在生产前对输入的元件进行批量检查。

 

 

在运行功率循环的过程中，实时结构函数分析显示正在发生的故障、循环数和产生故障的原因，省去事后去实验室分析的麻烦。不再需要在多个样品上进行耗时的循环测试以估计降级对应的循环数范围。也没有必要在该范围内额外增加热测量次数来确定捕获的降级真实存在。被测器件只需安装连接一次，相关循环和配置从一开始即可进行定义。

 

 

使用Simcenter Micred Power Tester，电力电子产品供应商能够为其客户设计出更可靠的电力电子封装，并能提供可靠性规范。元器件设计人员和制造商能够验证供应商的可靠性规范和鉴定封装的可靠性。负责设计和制造需要具有长期高可靠性产品的人员将能够在系统级别进行测试。

 

 

Simcenter Micred Power Tester旨在遵循联合电子器件工程委员会(JEDEC)标准JESD51-1静态测试方法。系统可以根据捕获到的瞬态响应，自动生成相应的结构函数。结构函数提供通过热阻和热电容表示的热传导路径的等效模型，这些模型可用于检测结构失效或捕捉热传导路径中的局部热阻。Simcenter Micred Power Tester还支持JEDEC标准JESD51-14瞬态双界面测量以确定RthJC。组合的功率循环的过程和Rth测量模式会在使用功率循环的器件上产生应力、在循环期间定期测量Rth、监控系统参数（例如电压和电流），以及自动增加Rth测量频率。

Simcenter Micred Power Tester生成的测试和特征提取数据可用于在热仿真软件Simcenter Flotherm和Simcenter FLOEFD中对详细模型进行校准和验证。Simcenter是Siemens Xcelerator软硬件和服务业务平台的一部分。

 

 

示例：通过循环使用寿命测试IGBT模块

电子电力模块及其相关组件和系统的设计人员必须确保芯片和基板之间的热阻尽可能地低，必须创建可靠的键合并确保芯片粘接层在产品的使用寿命内能够承受极大的热载荷。最大载荷循环数和器件温度/载荷条件之间的关系必须赋能较为准确地估算功率模块的使用寿命。

 

 

随着纯电动和混合动力车辆的问世，IGBT器件在相互作用和高压变流器应用领域已占据龙头地位，而各种结点中散发的热量对这些元器件的可靠性会有很大影响。工作过程中的高结温和高温度梯度会引起机械应力，尤其是在具有不同热膨胀系数的材料之间的接触面上，而这可能导致降级甚至完全失效。

 

 

图4.IGBT模块的横截面。

我们对四个包含两个半桥的中功率IGBT模块进行了测试，以证明可以通过元器件的自动功率循环获得丰富数据。这些模块被固定在Simcenter Micred Power Tester中集成的冷板上（采用液冷散热），用一块高热导率导热垫来尽量减小界面间的热阻。使用由Simcenter Micred Power Tester控制的冷冻循环器，在整个实验过程中，冷板温度保持在25摄氏度(°C)。

 

 

将器件的栅极连接到器件的漏极（即所谓的“放大二极管设置”），同时各个半桥使用单独的驱动电路供电。两个电流源分别连接到相应的半桥。使用一个可以快速开关的高电流源对这些器件施加阶跃式功率变化。另外使用一个低电流电源为IGBT提供连续偏压，这样可在加热电流关闭时测量器件温度。

 

 

在第一组测试中，我们采用恒定的加热和冷却时间分别测试了四个样品。选择的加热和冷却时间分别是加热3秒钟和冷却10秒钟，在200瓦(W)功率条件下将初始温度波动保持在100°C左右。这样的测试设置可以最贴切地模拟实际应用环境，在此环境中，热结构的降级会导致结温升高，进而加速器件老化。

 

 

图5.样品0在不同时间点的控制测量值对应的结构函数。

在这四个器件中，样品3在经过10,000次循环后不久便失效了，远远早于其他样品。样品0、1和2持续时间较长，分别在经过40,660、41,476和43,489次功率循环后失效。图5显示了通过瞬态热测试（每隔5,000个循环对样品0执行一次测量）生成的结构函数。0.08瓦特秒/开尔文(Ws/K)处的平坦区域对应于芯片贴装。该结构在15,000次循环之前是稳定的，但过了这个点之后，随着热阻持续增大，芯片粘接层出现明显降级，直至器件失效。导致器件失效的直接原因仍旧不明，但我们发现，栅极和射极之间形成了短路，而且在芯片表面可以看到一些焦斑。

 

 

第二组测试使用完全相同的样品，但采用由Simcenter Micred Power Tester支持的不同功率策略。模块中的两个半桥安装在同一基板的不同基底上。三个器件均采用两种封装进行了测试，其中被测器件中的IGBT1和IGBT3属于同一模块，但位于不同的半桥。

 

 

我们对IGBT1保持恒定的电流，对IGBT2保持恒定的加热功率，对IGBT3保持恒定的结温变化。选择的设置能够为所有器件提供相同的初始结点温升，即对每个器件加热3秒钟和冷却17秒钟，初始加热功率约240W，确保对比结果公平公正。对每个器件分别测量了所有循环中全部的加热和冷却瞬态变化，并由Simcenter Micred Power Tester对下列电学参数和热学参数进行了持续监测：

 

 

开启加热电流时的器件电压

 

 

上一循环中施加的加热电流

 

 

功率阶跃

 

 

关闭加热电流之后的器件电压

 

 

开启加热电流之前的器件电压

 

 

上一功率循环期间的最高结温

 

 

上一循环中的温度波动

 

 

使用加热功率进行标准化处理后的温度变化

 

 

在使用10-A完成每250个循环后，测量从通电稳态到断电稳态之间的全程热瞬态变化，以创建结构函数来研究热量累积中的任何降级。同样，持续进行实验，直到所有IGBT失效。

 

不出所料，IGBT1最先失效，因为在器件降级过程中我们没有对供电功率进行任何调节。有趣的是，在该热结构中，它没有显示出任何降级（图6）。

 

 

图6.IGBT1在功率循环期间的结构函数变化。

我们对实验过程中的器件电压变化进行了检查。图7显示了IGBT1在加热电流水平的正向电压视为已经历的功率循环次数的函数。在前3000次循环中，可以观察到电压处于下降趋势。导致初期这一变化的原因主要是器件平均温度变化相对缓慢（只下降了5°C）。尽管器件电压的温度依赖性在电流低时呈现负特性，但在大电流水平下，正向电压的温度依赖性已变为正值。

 

 

图7.IGBT1在加热电流水平的正向电压与已应用的功率循环数之间的关系。

在经过约35,000次循环后，这一趋势发生了变化，电压开始缓慢升高。之后，器件电压出现阶跃式变化，同时，上升趋势持续加快，直至最终器件失效。电压的增大可归因于封装键合线的降级，因为结构函数并没有变化，这也解释了在封装键合线最终脱落时电压出现的阶跃式变化。电压阶跃高度的持续增加是随着封装键合线数量的减少，封装键合线并联电阻的不断增大引起的。如果采用恒定电流的策略，封装键合线的断裂会增加剩余键合线中的电流密度，并且加速老化。

 

 

图8.IGBT3在加热电流水平的正向电压与已应用的功率循环数之间的关系。

图8显示了IGBT3对应的同类型曲线，其中，器件电压转为增长趋势的时间甚至更早，但由于通过调节加热电流保持了结温恒定，因此加热电流也按比例相应地减小了。电流的降低减少了键合线的负载，延长了测得的寿命。

上述两组实验展示了不同的失效模式，并说明了不同的功率策略以及电气设置对失效模式可能产生的影响。第一组实验采用恒定循环时间，更贴切地反映了运行应用情况，证实了Simcenter Micred Power Tester能够快速检测出器件结构（包括芯片贴装和其他受损层）内出现的退化现象。

 

 

第二组实验清楚地证明封装键合线出现了降级现象，因为我们观察到器件的正向电压出现了阶跃式升高，但对于不同的供电选项（恒定电流、恒定加热功率和恒定温升），所有测试样品的热结构函数都没有发生变化。当然，由于样品数量较少，所以只能做出比较保守的结论。但是，在Simcenter Micred Power Tester实验中也可以发现，测量结果可能因循环策略的不同而有所差异，基于某些策略而预测的功率器件使用寿命可能会高于其实际的使用寿命。

 

 

结语

可靠性是采用大功率电子产品的众多行业关注的首要问题，对于元器件供应商、系统供应商和OEM而言，对这些模块进行寿命期内循环测试是必不可少的。Simcenter Micred Power Tester可为模块供电以经受数万次（甚至数百万次）的循环，同时提供实时进行中的故障诊断。

 

 

从上面的例子中可以看出，Simcenter Micred Power Tester可用于轻松、清晰地识别由芯片粘接退化或键合线损坏引起的故障模式。这可显著减少测试和实验室诊断时间，也无需进行失效后分析或破坏性失效分析。