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IGBT模块的功率循环

         原创孙辉波英飞凌工业半导体3月5日

         为了保证产品的耐久性能,也就是产品使用的寿命。IGBT模块厂家在产品定型前都会做一系列的可靠性试验,以确保产品的长期耐久性能。一般常见的测试的项目如下图所示。

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这出自一份英飞凌关于3300V IHV-B封装产品系列的产品认证报告Product Qualification Report。这个报告里的测试项目,除了ESD静电测试以外,都是和IGBT模块的寿命相关的。寿命相关测试可以分成两部分,一部分是对于芯片本身寿命的考核,另一部分是对机械连接的考核。其中对芯片本身寿命的考核有如下内容:

HTRB,高温高压反偏测试,测试IGBT芯片的耐高压的可靠性。

HTGB,高温门极应力测试,测试IGBT芯片门极的耐压可靠性。

H3TRB,高温高湿反偏测试,测试IGBT芯片在高湿环境的可靠性。

HV-H3TRB,高压高温高湿反偏测试,这是H3TRB的更严苛版本,因为高湿的本质是对芯片钝化层的一种腐蚀,而高压会加速这种腐蚀。

上述几条主要是评估芯片的耐久性,在这些测试条件下,只要时间足够长,芯片肯定会坏的。

对于IGBT模块来说,模块外部是外壳和金属端子,内部不仅有芯片,还有绑定线,还有绝缘陶瓷衬底,还有焊接层,我们统称机械连接。那如何评估这些机械连接的耐久性呢?这就是功率循环,热循环,热冲击,以及振动测试。

IGBT模块寿命评估现状

目前技术水平下可实施的IGBT模块寿命评估方法——金属、焊接、机械疲劳的相关寿命

目前公认最能反映出金属疲劳实际寿命的算法——雨流计数法

目前公认的最有效的IGBT模块寿命评估的实验依据——功率、热循环测试能力

由于芯片的可靠性以及抗振动能力没有一个业界公认的计算方式去把加速实验结果和实际的使用寿命联系起来,而功率、热循环目前是有比较准确的方法去折算实际使用寿命的,并且对于目前的大部分常见的封装工艺来说,功率、热循环还是实际使用寿命中的短板,所以有必要研究功率循环,以计算出更准确的实际寿命能力。

什么是功率循环?

功率循环power cycling顾名思义就是让芯片间歇流过电流产生间隙发热功率,从而使芯片温度波动。因为热源为芯片自身发热,所以一般称之为主动加热。功率循环的周期一般为3~5秒。

功率循环对IGBT模块损伤的机理,主要是铜绑定线热膨胀系数与芯片表面铝层热膨胀系数不同,芯片热膨胀系数与DBC板不同导致的。损伤的结果主要是绑定线脱落,断裂,芯片焊层分离。

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芯片焊层的分离有两种模式,含铅的焊层一般从边缘向中心逐渐分离,而锡银材料的焊层一般从中心向边缘逐渐分离。

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如何进行功率、热循环测试?

IEC60749-34描述了可靠性实验电路连接的方法,而IEC60747-9描述了IGBT参数的测试方法,以及失效标准的判据。对于功率循环,如果器件的导通压降超过初始值的5%或者热阻超过初始值的20%,即判定为失效。

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然而,业界的功率循环测试加载的方法并不统一,Impact of Test control Strategy on Power Cycling Lifetime这篇文章中论述了四处加载方法:

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。

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 

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

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

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下图是测试结果,可以看出四种测试方法对用一种IGBT模块的测试结果相差非常大。采用恒定的导通及关断时间,器件在35000个cycle时就失效了,第二种恒定壳温的方法在45000 cycle时失效,第三种恒功率法大概在不到70000个cycle时失效,而使用第四种恒结温法的话,器件寿命可以达到95000个cycle以上。这个结果也是比较好理解的,我们知道,功率循环的次数与结温波动量密切相关,随着功率循环的进行,被测器件导通压降及热阻势必上升,如果导通时间及导通电流恒定的话,那么在老化后期器件结温会高于测试初期,器件所能承受的功率循环次数必然会少于恒定结温法。

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下面是开米尼茨大学的研究结果,他们列举了6种测试方法,其中恒功率法分为通过调节导通电流和调节门极电压两种方法,而恒定结温法分为通过调节导通电流、门极电压和导通时间三种方法。其中最严苛的恒定脉冲法,与最宽松的减小导通时间维持恒定结温法的结果相差在百分之五十以上。

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这是一个非常巨大的差距,所以在判断一款功率器件PC寿命的时候,不光要看功率循环的cycle值是多少,更要看测试的方法是什么。英飞凌模块的功率循环曲线是依照最严苛的条件,也就是恒定导通时间和导通电流的方法来测试的,保证产品具有最高等级的可靠性。

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测试的样品比较是有限的,那有限样品下的寿命结果如何能科学的统计为一个可信的寿命值呢?那就是另一个有意思的话题了,有兴趣的同学可以看看这篇论文。

我们下次再聊

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