功率模塊的可靠性

功率模塊的可靠性，是指器件在一定時間內(nèi)、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(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)濟效益，必須使用高可靠性的產(chǎn)品，這樣設(shè)計的產(chǎn)品才具有更高的市場競爭力。那么如何才能實現(xiàn)高的可靠性呢？這可以分為設(shè)計階段和批量生產(chǎn)兩個方面去實現(xiàn)：設(shè)計階段考慮之一：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)計階段考慮之三：芯片的布局，比如實現(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)定的工藝實現(xiàn)過程及其精準的控制。在設(shè)計階段對產(chǎn)品進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，高溫高濕反偏測試HTS，高溫存儲測試LTS，低溫存儲測試TC，熱循環(huán)測試PC，功率循環(huán)測試Vibration，振動測試Mechanicalshock，機械沖擊測試在整個測試過程中，必須對測試前、測試中、測試后的器件參數(shù)進行測量和對比。對IGBT而言，當測試參數(shù)出現(xiàn)以下變化時，就可認為出現(xiàn)失效：HTRB高溫反偏測試高溫反偏測試主要用于驗證長期穩(wěn)定情況下芯片的漏電流，考驗對象是IGBT邊緣結(jié)構(gòu)和鈍化層的弱點或退化效應(yīng)。測試標準：IEC60747-9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(xù)監(jiān)測門極的漏電流和門極開通電壓，若這兩項參數(shù)超出指定規(guī)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于驗證柵極漏電流的穩(wěn)定性，考驗對象是IGBT柵極氧化層。測試標準：IEC60747-9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(xù)監(jiān)測門極的漏電流和門極開通電壓，若這兩項參數(shù)超出指定規(guī)格，則模塊將不能通過此項測試。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功率器件長期特性的影響。測試標準：IEC60068-2-67測試條件為：1000個小時，環(huán)境溫度85℃，相對濕度85%，VCE=80V測試原理圖如下：在這一項測試中，施加的電場主要用于半導體表面離子積累和極性分子的驅(qū)動力，但是為了避免測試過程中漏電流產(chǎn)生的溫升降低相對濕度，所以對于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于驗證模塊的整體結(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。測試標準：高溫IEC60068-2-2低溫IEC60068-2-1測試條件為：高溫1000個小時，環(huán)境溫度：125℃；低溫1000個小時，環(huán)境溫度：-40℃測試原理圖如下：測試前后需對比模塊的靜態(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功率模塊的影響。賽米控公司采用雙室氣體環(huán)境試驗作為溫度循環(huán)試驗，樣品在升降機的幫助下在冷卻室和加熱室之間周期性地上下移動。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(huán)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：IEC60068-2-14；測試條件為：最低存儲溫度：-40℃，最高存儲溫度125℃，共100個循環(huán)。測試原理圖如下：此項測試主要是驗證模塊的整體結(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)，因此在這項測試中，較大面積的焊料層會受到最大的應(yīng)力。實驗前后需對比電氣參數(shù)，特別是Rth(j-c)，也可使用超聲波掃描顯微鏡(SAM)對比評估焊料層的分層情況。PC功率循環(huán)測試對比溫度循環(huán)，在功率循環(huán)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，然后關(guān)斷電流，樣品主動冷卻到最低溫度。循環(huán)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。測試標準：IEC60749-34測試條件為：Tj=100K，共20000個循環(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，對于使用了先進燒結(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(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)中的一個弱點，大大地提高了模塊功率循環(huán)的可靠性。Vibration振動測試Mechanicalshock機械沖擊測試這兩項測試都是用來驗證機械結(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，振動測試模擬的是運輸、現(xiàn)場運行中的機械應(yīng)力，所以對應(yīng)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；而機械沖擊測試模擬的是模塊受到一個突然的較大的沖擊，所以對應(yīng)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IEC60068-2-6機械沖擊IEC60068-2-27測試設(shè)備：在試驗過程中，需對所有電氣連接的位置進行監(jiān)測，同時試驗前后對模塊的外觀和電氣參數(shù)進行對比。除了以上標準的可靠性測試項目，針對不同的產(chǎn)品和技術(shù)，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(shù)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(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)明第一個標準的半導體