先進IGBT功率模塊的可靠性測試
轉載自【2019.01.27 AA探針臺 閱讀 20】
功率模塊的可靠性，是指器件在一定時間內、一定條件下無故障的運行的能力，是功率模塊最重要的品質特性之一。
要滿足現代技術和生產的需要，獲得更高的經濟效益，必須使用高可靠性的產品，這樣設計的產品才具有更高的市場競爭力。
那麼如何才能實現高的可靠性呢？這可以分為設計階段和批量生產兩個方面去實現：
設計階段考慮之一：封裝材料的選取，比如芯片技術、焊接材料、外殼封裝材料、芯片鈍化層的材料；
設計階段考慮之二：封裝連接工藝的採用，比如焊接工藝、燒結工藝、鍵合線的幾何形狀、彈簧連接；
設計階段考慮之三：芯片的佈局，比如實現更好的均流，降低電磁干擾的影響；
批量生產中主要考慮穩定的工藝實現過程及其精準的控制。
在設計階段對產品進行可靠性測試顯得尤為重要。賽米控所有的產品都根據相應的國際標準進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 ，高溫高溼反偏測試
HTS ，高溫存儲測試
LTS ，低溫存儲測試
TC ，熱循環測試
PC ，功率循環測試
Vibration ，振動測試
Mechanical shock ，機械衝擊測試
在整個測試過程中，必須對測試前、測試中、測試後的器件參數進行測量和對比。對IGBT而言，當測試參數出現以下變化時，就可認為出現失效：
HTRB 高溫反偏測試
高溫反偏測試主要用於驗證長期穩定情況下芯片的漏電流，考驗對象是IGBT邊緣結構和鈍化層的弱點或退化效應。
測試標準：IEC 60747-9
測試條件為：1000個小時，95% VCE(max)，125℃ 測試原理圖如下： 在測試中，需持續監測門極的漏電流和門極開通電壓，若這兩項參數超出指定規格，則模塊將不能通過此項測試。 HTGB 高溫門極反偏測試 高溫門極反偏測試主要用於驗證柵極漏電流的穩定性，考驗對象是IGBT柵極氧化層。 測試標準：IEC 60747-9 測試條件為：1000個小時，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，需持續監測門極的漏電流和門極開通電壓，若這兩項參數超出指定規格，則模塊將不能通過此項測試。 H3TRB 高溫高溼反偏測試 高溫高溼反偏測試，也就是大家熟悉的雙85測試，主要用於測試溼度對功率器件長期特性的影響。 測試標準：IEC 60068-2-67 測試條件為：1000個小時，環境溫度85℃，相對溼度85%，VCE=80V 測試原理圖如下： 在這一項測試中，施加的電場主要用於半導體表面離子積累和極性分子的驅動力，但是為了避免測試過程中漏電流產生的溫升降低相對溼度，所以對於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。 最近的應用經驗表明，許多現場失效與溼度有著不可分割的關係，因此引入了高壓高溫高溼反偏測試的討論，即HV-H3TRB測試。隨著IGBT芯片的技術更新，漏電流變的更低，對於阻斷電壓為1200V或更高的器件，測試電壓可調整為阻斷電壓的80%。這樣，可保證功率模塊在高溼度應用情況下具有更高的可靠性。 HTS 高溫存儲測試 LTS 低溫存儲測試 高溫存儲測試和低溫存儲測試主要用於驗證模塊的整體結構和材料的完整性，並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。 測試標準：高溫 IEC 60068-2-2 低溫 IEC 60068-2-1 測試條件為：高溫 1000個小時，環境溫度：125℃；低溫 1000個小時，環境溫度：-40℃ 
測試原理圖如下：
測試前後需對比模塊的靜態性能參數，特別是絕緣性能，還有需要檢查模塊外觀是否發生發生裂紋等變化。
TC 熱循環測試
熱循環測試主要是模擬外界溫度變化對功率模塊的影響。賽米控公司採用雙室氣體環境試驗作為溫度循環試驗，樣品在升降機的幫助下在冷卻室和加熱室之間週期性地上下移動。試驗器件是被動地冷卻和加熱，為了確保每一層材料達到熱的平衡，循環時間相對較長。在測試過程中無需施加電壓或電流。
測試標準：IEC 60068-2-14
測試條件為：最低存儲溫度：-40℃，最高存儲溫度125℃，共100個循環
測試原理圖如下：
此項測試主要是驗證模塊的整體結構和材料，特別是芯片與DCB、DCB與基板之間的連接。由於每一種材料的熱膨脹係數不一樣(CTE)，因此在這項測試中，較大面積的焊料層會受到最大的應力。實驗前後需對比電氣參數，特別是Rth(j-c)，也可使用超聲波掃描顯微鏡(SAM)對比評估焊料層的分層情況。
PC 功率循環測試
對比溫度循環，在功率循環中，測試樣品通過流過半導體的電流進行主動加熱至最高目標溫度，然後關斷電流，樣品主動冷卻到最低溫度。循環時間相對較短，大約為幾秒鐘。此項測試的焦點主要是驗證鍵合線與芯片，芯片到DCB之間連接的老化。在熱膨脹的過程中，由於芯片溫度最高，因此與芯片相連的鍵合線和與DCB相連的焊接層受力最大。
測試標準：IEC 60749-34
測試條件為：ΔTj=100K，共20000個循環
測試原理圖如下：
在測試中，需持續監測IGBT芯片的飽和壓降和溫度。標準功率模塊中，鍵合線脫離和焊料疲勞是主要的失效機理，對於使用了先進燒結技術的模塊，主要失效為鍵合線脫離。主要表現為IGBT芯片的飽和壓降升高。同時也可使用超聲波掃描顯微鏡(SAM)對比評估焊料層的疲勞情況。
賽米控創新的SKiN技術，用薄的柔性連接層替代了鋁鍵合線，這也消除了經典模塊結構中的一個弱點，大大地提高了模塊功率循環的可靠性。
Vibration 振動測試
Mechanical shock 機械衝擊測試
這兩項測試都是用來驗證機械結構的整體性和電氣連接的穩定性。二者之間的區別在於，振動測試模擬的是運輸、現場運行中的機械應力，所以對應測試的振動加速度較小，為5g，測試時間相對較長，X、Y、Z三個方向各振2個小時；而機械衝擊測試模擬的是模塊受到一個突然的較大的衝擊，所以對應的振動加速度較大，為30g，測試時間相對較短，每個方向各振3次。
測試標準：振動 IEC 60068-2-6
機械衝擊 IEC 60068-2-27
測試設備：
在試驗過程中，需對所有電氣連接的位置進行監測，同時試驗前後對模塊的外觀和電氣參數進行對比。
除了以上標準的可靠性測試項目，針對不同的產品和技術，賽米控會進行額外的可靠性測試項目。比如使用了彈簧技術的模塊，額外有微振動測試、腐蝕性氣體測試等等項目。
賽米控的封裝技術處於世界領先水平，其產品的可靠性也在業界享有較好的口碑。賽米控在封裝技術上不斷地創新，1975年發明第一個標準的半導體功率模塊，從此成為業界標杆。從傳統的芯片焊接技術到銀燒結技術，從鋁鍵合線到柔性連接層燒結，從端子的焊接連接到彈簧連接，從模塊整體的焊接結構到壓接結構，再到最新的DPD（Direct Pressed Die）封裝，每一個進步都推動了功率模塊封裝技術的發展，實現了功率模塊可靠性的逐步提高。
參考文獻：
A. Wintrich, U. Nicolai, W. Tursky, T. Reimann,“Application Manual Power Semiconductors”, 2nd edition, ISLE Verlag 2015, ISBN978-3-938843-83-3
SEMIKRON Qualification Report - SEMiX 3p
J. Lutz, H. Schlangenotto, U. Scheuermann, R.Doncker, “功率半導體器件- 原理、特性和可靠性”，機械工業出版社，2013
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