功率器件功率循环测试原理详解

引言

功率半导体器件，特别是绝缘栅双极型晶体管（IGBT），在新能源、轨道交通、电动汽车、工业应用和家用电器等诸多应用中都是不可或缺的核心部件。尤其在新能源电动汽车行业的迅猛崛起下，功率半导体器件市场迎来了爆发式的增长。与消费电子市场相比，车规级功率半导体器件所面临的挑战更为严峻，因其需要在高工作结温、高功率密度和高开关频率等严苛条件下稳定运行，同时还需要在更为恶劣的使用环境中保持出色的性能。因此，对于车规级功率半导体器件而言，其可靠性成为了一个至关重要的考量因素。

车规级功率模块最常用的测试标准是欧洲电力电子研究中心（ECPE）发布的AQG 324，它详细规范了功率循环测试的相关内容，引用了IEC60749-34的测试标准和IEC60747-9的产品参数标准，为功率模块的验证提供了全面的指导。在AQG-324中，详细描述了功率模块所需进行的各项测试项目、测试要求以及相应的测试条件，确保模块在各种工作环境下都能达到预定的性能标准。

功率循环测试，作为评估功率器件封装可靠性的关键实验，近年来受到了广泛关注。尤其随着SiC MOSFET功率器件的快速发展，其封装可靠性问题成为了研究热点。

功率循环测试原理

功率循环（Power Cycling）是指让芯片在间歇性通电的过程中产生热量，从而使芯片温度发生波动的过程。

功率循环对IGBT模块损伤主要源于铜绑线和芯片表面铝层的热膨胀系数不同，以及芯片热膨胀系数与DBC（Direct Bonded Copper）板不同，会在功率循环过程中引发一系列问题。这些损伤主要表现为绑线脱落、断裂以及芯片焊层分离。因此，封装材料CTE不匹配被认为是限制器件寿命的根本原因，结温波动ΔTvj和最大结温 Tvjmax是激励源，而测试过程中的其他因素也会直接影响结温的变化和最终的测试结果。如标准中规定当负载电流开通时间ton小于5s时 (称为秒级功率循环) 主要考核的是芯片周围的连接处，而当ton大于15s时 (称为分钟级功率循环) 考核的重点则是远离芯片的连接处。

功率循环的基本电路原理图和温度变化曲线示意如图所示：

点击图片查看大图

负载电流通过外部开关的控制给被测器件施加一定占空比(ton/(ton+toff))的电ILoad，使器件加热达到指定最大结温Tvjmax。在这一过程中，为了确保器件热量及时散失并降低结温，通常会将被测器件安装在可恒定温度的水冷板或者水道工装上。

当负载电流被切断后，器件的结温会降低至最小结温Tvjmin，如此循环往复，从而实现对器件封装可靠性的全面考核。因此，在一个完整的循环周期内(ton+toff)，被测器件的加热时间或者电流开通时间被定义为ton，而电流关断时间或降温时间则为toff。而测量电流ISense则是一直加载在被测器件的两端，这个测量电流通常选择为器件额定电流的1/1000，以便于实现器件结温的电学参数间接测量。

K系数原理

由于IGBT模块的结温无法直接测量，我们采用温度敏感K系数来进行计算，以间接获取结温信息。为了模拟结温的变化，试验中通过改变环境温度来实现。具体操作时，将IGBT模块置于高温箱中，并选择至少三个不同的温度进行测试。为使IGBT模块的温度尽可能的与高温试验箱温度达到均衡，这通常要求每个温度的平衡时间不低于30分钟。在这个过程中使IGBT饱和导通，并实时测量IGBT模块VCE压降VF（通过开尔文四线制测量VF）。因结温与其导通电压VF是呈线性关系，其比值可以用K来表示。

功率循环测试模式

恒定加热电流模式(PCsec)

稳定的Ton和Toff时间，被测压接式 IGBT 器件的降级对得到的结温变化幅度有直接的影响，这种方式对于功率循环来说最为严格。

恒定结温差模式

稳定的Ton和Toff时间，自动计算并调节加热电流，以确保结温差恒定。

恒定功率模式：Pv

稳定的Ton和Toff时间，自动计算并调节加热电流，以确保功率恒定。

恒定壳温差模式ΔTC：循环中改变冷板的热传导系数 (PCmin)

在功率循环测试中随着Ton和Toff的时间，同步改变冷板内冷却液的流量，通过改变栅极电压来改变温升；

稳定的Ton和Toff时间，自动计算并调节加热电流，以确保壳温差恒定；

这种模式适用于长时间周期的功率循环测试。

功率循环测试过程监测

在功率循环测试中，可以同时监测结温变化△Tj、结壳热阻Rthjc、最大结温Tjmax和最小结温Tjmin等参数的变化趋势。根据车规AQG 324标准的要求，如果在测试过程中Rthjc的变化率超过20%或者饱和压降Vce的变化率超过5%，那么被测器件将被判定为失效。其中，Vce的变化通常反映了键合线的失效情况，而Rthjc的变化则主要反映了芯片与底板之间粘结层的失效情况。

点击图片查看大图

关于SGS半导体服务：

SGS集团创建于1878年，是国际公认的测试、检验和认证机构，是质量和诚信的全球基准。SGS半导体及可靠性服务团队凭借广泛的全球服务网络，专业的技术团队及先进的实验室，提供全面的半导体产业解决方案，服务范围可覆盖供应链上下游。面对蓬勃发展的半导体行业，SGS始终走在行业前端，积极开发一系列半导体及可靠性相关服务，如洁净室服务及SEMI标准、进料检验分析、芯片可靠度、失效及材料分析服务、PCB/PCBA产品测试服务、半导体相关解决方案等，致力于协助企业把控良率、为质量护航，并助力行业稳健发展！

半导体及可靠性相关服务，如洁净室服务及SEMI标准、进料检验分析、芯片可靠度、失效及材料分析服务、PCB/PCBA产品测