GaN功率器件可靠性如何测试？芯片推力、键合线拉力及高温推拉力测试解析

GaN（氮化镓）功率器件凭借高频、高效率和高功率密度等特点，已应用于快充、服务器电源、数据中心、通信电源等领域。

对于GaN器件而言，除了芯片本身的性能，封装内部的芯片贴装、键合互连以及器件与PCB之间的焊接连接，同样会影响产品可靠性。尤其经过高温、温度循环及老化试验后，部分界面可能出现结合强度下降、脱层或连接失效。

因此，在GaN器件封装及可靠性验证过程中，可以通过Die Shear芯片剪切、Wire Pull键合线拉力、焊点推力/剪切以及高温推拉力测试，对不同机械连接位置进行定量评价。

一、GaN功率器件是什么？

GaN全称Gallium Nitride，即氮化镓，是一种宽禁带半导体材料。

在功率电子领域，GaN器件常用于高频开关和功率转换。根据器件设计及应用要求，GaN功率器件可以采用不同的芯片及封装结构，因此实际进行机械可靠性测试时，需要结合具体封装形式确定测试对象。

从产品形态来看，既有单颗GaN功率器件，也有将GaN裸芯片、基板、驱动及其他器件集成的功率模块。

二、GaN器件有哪些机械连接结构？

从机械可靠性测试角度，GaN功率器件主要需要关注以下几类连接。

1. GaN芯片贴装连接

GaN裸芯片需要通过相应的Die Attach工艺固定到引线框架、基板或其他载体上。

这一位置的结合质量会直接影响芯片的机械稳定性，因此可以通过芯片剪切测试评价其连接强度。

2. Wire Bond键合连接

部分GaN功率器件采用键合线实现芯片与引线框架或基板之间的互连。

这类结构需要关注键合线本体、芯片侧键合点以及基板侧键合点的连接状态。

3. Flip Chip底部互连

采用倒装结构的GaN器件通过芯片底部互连结构与基板连接。与传统Wire Bond结构相比，其测试对象和加载位置存在明显区别，需要根据实际封装设计相应的剪切测试方案。

4. 器件与PCB焊接连接

GaN器件完成封装后还需要安装到PCB，因此器件焊端与PCB之间形成的焊接区域也属于机械可靠性评价对象，可根据实际产品结构进行推力或剪切测试。

三、GaN功率器件可靠性怎么测试？

1. Die Shear芯片剪切测试

对于GaN裸芯片与基板之间的Die Attach连接，可以进行Die Shear芯片剪切测试。

测试时，将样品固定在推拉力测试机平台上，通过显微系统定位目标GaN芯片。推刀移动至芯片侧面后，沿平行于基板的方向加载，直至芯片或连接区域发生失效。

测试过程中可以记录最大剪切力和力—位移曲线。测试结束后，还需要结合芯片及基板表面的残留状态，判断破坏发生在贴装材料内部还是相关连接界面。

2. Wire Pull键合线拉力测试

对于采用Wire Bond结构的GaN器件，可以通过Wire Pull测试评价键合连接机械强度。

测试时，将微型拉钩移动至目标键合线下方，并按照规定方式向上加载，直至键合线或键合区域发生失效。

除了最大拉力，还应观察具体失效位置，例如键合线本体断裂、芯片侧键合点脱离、基板侧键合点脱离以及焊盘相关破坏等。

因此，Wire Pull并不是简单比较“拉力越大越好”，还需要结合失效模式判断键合工艺状态。

3. Flip Chip及焊点剪切测试

对于采用Flip Chip结构的GaN器件，需要根据芯片底部互连形式、结构尺寸以及可测试空间选择相应的剪切工具和加载方式。

如果测试对象为GaN器件与PCB之间的焊接区域，则可以根据实际结构进行器件推力或焊点剪切测试，通过最大力、力—位移变化以及失效位置评价焊接连接的机械可靠性。

4. 高温GaN推拉力测试

高温是GaN功率器件可靠性评价中值得关注的测试条件之一。

常温下获得的机械强度数据，并不能完全代表器件在高温状态下的连接表现。针对有高温力学测试要求的GaN样品，可以在推拉力测试设备上配置加热平台，将样品加热至规定试验温度，待温度稳定后进行Die Shear等测试。

例如，可根据产品试验条件在**150～250℃**范围内进行相应的高温机械强度测试，对比不同温度条件下芯片贴装及相关连接区域的强度变化。

此外，也可以对高温老化、温度循环等可靠性试验前后的样品分别进行推拉力测试，通过剪切力、拉力及失效模式变化判断连接结构是否出现性能衰减。

相比仅进行外观观察，破坏性推拉力测试能够直接获得连接界面的实际机械载荷数据，对发现界面弱结合等问题具有较高的参考价值。

四、GaN推拉力测试需要关注什么？

GaN器件封装形式不同，实际测试参数不能简单套用统一条件。测试前需要重点确认测试对象、传感器量程、推刀或拉钩尺寸、剪切高度、加载位置以及测试温度。

对于尺寸较小、结构密集的GaN器件，还需要借助显微观察准确定位测试区域，避免测试工具与周围结构发生干涉。

测试结果也不宜只记录一个最大力值，更完整的分析通常需要结合：

测试位置 + 最大力值 + 力—位移曲线 + 失效模式 + 测试温度

通过这些数据，可以进一步比较不同封装工艺、不同批次以及可靠性试验前后GaN器件机械连接状态的变化。

五、GaN推拉力测试参考标准

针对GaN器件不同机械连接结构，可以结合产品要求及具体测试项目选择相应标准或试验方法。

例如，半导体芯片粘接强度测试可参考 MIL-STD-883 Method 2019 Die Shear Strength；键合线及键合连接强度测试可参考 MIL-STD-883 Method 2011 Bond Strength。

具体测试条件仍需根据GaN器件的封装形式、芯片尺寸、键合方式及企业测试规范确定。

结语

GaN功率器件的机械可靠性测试并不是单一的“芯片推力测试”。从GaN裸芯片Die Attach，到Wire Bond键合连接、Flip Chip底部互连，再到器件与PCB之间的焊接区域，不同位置需要采用相应的推拉力测试方法。

对于需要进行高温机械可靠性评价的样品，还可以通过推拉力测试机配合加热平台，开展规定温度条件下的Die Shear等测试，并与常温或老化前后的数据进行比较。

科准测控Alpha-W260自动推拉力测试机可根据GaN芯片、键合线及焊接结构等不同测试对象配置相应传感器、推刀、拉钩和测试夹具，并可结合加热平台开展高温条件下的机械强度测试，为GaN功率器件封装工艺验证及机械可靠性分析提供测试数据参考。

审核编辑 黄宇