功率器件功率循环测试技术的挑战与分析

（一）背景介绍

功率半导体器件，尤其是绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)，一直是新能源、轨道交通、电动汽车、工业应用和家用电器等应用的核心部件。硅基 IGBT 器件由于驱动功率小和饱和压降低，而且具有电压等级高和电流范围广的优势，成为各个领域的中流砥柱。可靠性成为继器件特性表征外最重要的质量评估手段和发展目标，也是近几年国内研究机构和应用方最为关注的研究领域。

功率循环测试一直被工业界和学术界认为是考核功率器件封装可靠性最重要的可靠性测试之一，也是进行器件寿命模型建立和寿命评估的根本。它是通过外部负载电流通和关断来模拟器件实际应用的结温波动过程，并通过一定程度的加速老化以提前暴露器件封装的薄弱点。欧洲电力电子中心发布了AQG324 标准，专门针对电动汽车用功率模块的功率循环测试进行了定义和规定。

功率循环考核的主要是器件不同封装材料界面的热膨胀系数不一致在往复周期性结温波动激励下的老化。封装材料CTE不匹配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将会直接影响结温的变化和测试结果。负载电流开通时间 ton 小于5s(称为秒级功率循环)考核的是芯片周围的连接处，而 ton大于 15s (称为分钟级功率循环)考核的则是远离芯片的连接处。进一步地，被测器件关键老化参数的准确在线监测(如 IGBT 器件饱和压降VCE和热阻Rth)也是至关重要的，将直接影响器件的失效模式判定和寿命。

现有功率循环测试标准主要有国标GB/T 29332、国际电力电子协会IEC60747-9、美国军用MIL_STD_750和电动汽车AECQ101或AQG324等标准，电动汽车模块标准AQG324明确指出ton＜5s为秒级，考核的是芯片周围连接处，ton>15s为分钟级，考核的是远离芯片的连接的可靠性。因此，对功率循环测试设备提出了一定的要求:

1)要求测试电流足够大以满足测试结温的要求，如AQG324标准规定必须＞0.85*ICN(模块额定电流)；

2)负载电流的开通和关断时间可调节，以分别满足上述秒级和分钟级的测试要求，尤其是秒级功率循环；

3)水冷系统的设计也很重要，需要能将产生的热量以最快速度带走，使得器件快速降温。

（二）测试原理

功率循环测试的基本电路原理图及接线图如图1所示。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))的电流 ILoad以加热器件达到指定最大结温 Tvjmax；为了使得器件的热量及时散走和降低结温，一般将被测器件安装在可恒定温度的水冷板上。在切断负载电流后器件的结温降低到最小结温Tvjmin，以此周期往复达到考核器件封装可靠性的目的。因此，在一个循环周期内(ton+toff)，被测器件加热时间或者电流开通时间为ton，电流关断时间或降温时间为toff。而测量电流ISense则是一直加载在被测器件的两端，用于实现器件结温的电学参数间接测量，一般选为器件额定电流的 1/1000。这里要说明的是，测量电流的选取对结温测量是有很大影响的，不能过大引起自发热现象，也不能过小，没有形成稳定的导流通道和电压。

               图1 测试原理图 & 接线图

功率循环测试过程中要实时监测被测器件的正向或饱和压降 VCEsat、 结温差ΔTvj (Tvjmax-Tvjmin)和热阻 Rthj-x， 其中 x 代表参考点的温度。热阻计算公式：

器件的饱和压降 VCEsat 和热阻 Rthj-x 分别用来表征键合线和焊料的老化状态，进一步还可以获得器件的寿命和失效模式。标准规定当饱和压降 VCEsat达到初始值的 105%或者热阻 Rth 达到初始值的120%认定为器件失效。

（三）测试方法

测试方法采用标准规定的恒流加热方式,结温测量采用小电流下饱和压降法测量

以下是不同厂商的四种测量方法：

ton = const & ton = const:恒定的导通及关断时间：在测试过程中始终保持恒定的导通时间，关断时间及导通电流。

ΔTc = const恒定的壳温Tc波动：逐渐关少导通的时间维持恒定的壳温波动。

PV = const:恒定的功率Pv：在测试过程中，通过减少导通电流来始终保持恒定的功率。

ΔTJ = const恒定的结温Tj波动：在测试过程中，减少导通的时间来维持恒定的结温波动

目前常用的测试方法是第一种，即在测试过程中保持恒定的导通及关断时间。

（四）测试条件和数量

至少进行两个不同结温差的实验,且最大结温差至少要比最小结温差高40%。

j是失效等级数量，N是样品量。

实时监测VCE,Rthj-x,ΔTVJ失效范围VCE≥105%×VCE（start）, Rth≥120%×Rth（start）    关键参数测量：结温ΔTVJ集电极电流 Ic是参变量为前提条件选择 IGBT 模块，饱和压降VCESAT与结温Tj 的关系曲线如下图所示（在小电流情况下，饱和压降和结温的关系成一个负线性关系）：

由于大多数器件在测试中是处于被封装状态，其内部温度不可通过直接手段进行检测，故在功率循环测试中，器件内部芯片的温度是采用K系数的方式进行间接计算而获得的。K系数代表器件芯片的温度敏感电学参数，其选取的原则在于简单、可靠、敏感度高。硅基IGBT芯片的温度一般采用Vce（集电极-发射极电压）进行计算。

在特定温度下保温足够长时间，使得样品温度均匀一致；再通过小电流恒流源向样品输入小电流，利用示波器记录样品压降的变化。之后改变温度，再次重复上一过程，最终得到不同温度下样品对应的压降值。最后，通过数值拟合求得其K系数。测试点选取：

a点：负载电流开通前瞬间，此时器件被冷却至最低温，定义为cold状态，测量最小结温Tjmin和最小壳温Tcmin。

b点：开通后瞬间，从开通到电流稳定只需要µs级时间，此时器件并没有被加热，也定义为cold状态，测量负载电流ILcold和饱和压降VCEcold。

c点：关断前瞬间，器件被完全加热至最高结温，hot状态，测ILhot和Vcehot。

d点：关断后瞬间，器件认为没有被降温，也定义为hot状态， Tjmax和Tcmax。c 点的饱和压降来表征键合线老化就会耦合温度的影响，无法直接判定键合线老化程度，甚至得到错误的结论，而 b 点只受键合线老化的影响。器件热阻的计算则需采用c点的电流 ILHOT和饱和压降VCEHOT，表征的是器件抵抗热量传热的能力。

（五）测试设备

功率循环测试设备既可以对包括 IGBT 器件在内的电力电子器件进行功率循环测试即对被测电力电子器件施加应力测试，还可以通过瞬态热测试对包括IGBT 器件在内的电力电子器件进行热特性测量。特别是在功率循环测试中通过周期性进行的瞬态热测试得到的结构函数，设备监控指标值超标而触发的瞬态热测试得到的结构函数，可以清晰的显示出随着功率循环测试的进行，包括 IGBT 器件在内的电力电子器件内部的降级过程。此外，还可以测试功率晶体管，功率二极管，MOSFET 和其他功率电力电子器件。

瞬态热阻测试设备