IGBT模塊的功率循環

為了保證產品的耐久性能，也就是產品使用的壽命。IGBT模塊廠家在產品定型前都會做一系列的可靠性試驗，以確保產品的長期耐久性能。一般常見的測試的項目如下圖所示。
 

這出自一份英飛凌關于3300V IHV-B封裝產品系列的產品認證報告Product Qualification Report。這個報告里的測試項目，除了ESD靜電測試以外，都是和IGBT模塊的壽命相關的。壽命相關測試可以分成兩部分，一部分是對于芯片本身壽命的考核，另一部分是對機械連接的考核。其中對芯片本身壽命的考核有如下內容：

• HTRB，高溫高壓反偏測試，測試IGBT芯片的耐高壓的可靠性。

• HTGB，高溫門極應力測試，測試IGBT芯片門極的耐壓可靠性。

• H3TRB，高溫高濕反偏測試，測試IGBT芯片在高濕環境的可靠性。

• HV-H3TRB，高壓高溫高濕反偏測試，這是H3TRB的更嚴苛版本，因為高濕的本質是對芯片鈍化層的一種腐蝕，而高壓會加速這種腐蝕。

上述幾條主要是評估芯片的耐久性，在這些測試條件下，只要時間足夠長，芯片肯定會壞的。

對于IGBT模塊來說，模塊外部是外殼和金屬端子，內部不僅有芯片，還有綁定線，還有絕緣陶瓷襯底，還有焊接層，我們統稱機械連接。那如何評估這些機械連接的耐久性呢？這就是功率循環，熱循環，熱沖擊，以及振動測試。

IGBT模塊壽命評估現狀

• 目前技術水平下可實施的IGBT模塊壽命評估方法——金屬、焊接、機械疲勞的相關壽命

• 目前公認最能反映出金屬疲勞實際壽命的算法——雨流計數法

• 目前公認的最有效的IGBT模塊壽命評估的實驗依據——功率、熱循環測試能力
            

由于芯片的可靠性以及抗振動能力沒有一個業界公認的計算方式去把加速實驗結果和實際的使用壽命聯系起來，而功率、熱循環目前是有比較準確的方法去折算實際使用壽命的，并且對于目前的大部分常見的封裝工藝來說，功率、熱循環還是實際使用壽命中的短板，所以有必要研究功率循環，以計算出更準確的實際壽命能力。

什么是功率循環？

功率循環power cycling顧名思義就是讓芯片間歇流過電流產生間隙發熱功率，從而使芯片溫度波動。因為熱源為芯片自身發熱，所以一般稱之為主動加熱。功率循環的周期一般為3~5秒。
 

功率循環對IGBT模塊損傷的機理，主要是銅綁定線熱膨脹系數與芯片表面鋁層熱膨脹系數不同，芯片熱膨脹系數與DBC板不同導致的。損傷的結果主要是綁定線脫落，斷裂，芯片焊層分離。

芯片焊層的分離有兩種模式，含鉛的焊層一般從邊緣向中心逐漸分離，而錫銀材料的焊層一般從中心向邊緣逐漸分離。

如何進行功率、熱循環測試？

IEC60749-34描述了可靠性實驗電路連接的方法，而IEC60747-9描述了IGBT參數的測試方法，以及失效標準的判據。對于功率循環，如果器件的導通壓降超過初始值的5%或者熱阻超過初始值的20%，即判定為失效。

然而，業界的功率循環測試加載的方法并不統一，Impact of Test control Strategy on Power Cycling Lifetime這篇文章中論述了四處加載方法：

1. 恒定的導通及關斷時間：在測試過程中始終保持恒定的導通時間，關斷時間及導通電流。
             

2. 恒定的殼溫Tc波動：逐漸關少導通的時間維持恒定的殼溫波動 

3. 恒定的功率Pv：在測試過程中，通過減少導通電流來始終保持恒定的功率

4. 恒定的結溫Tj波動：在測試過程中，減少導通的時間來維持恒定的結溫波動

下圖是測試結果，可以看出四種測試方法對用一種IGBT模塊的測試結果相差非常大。采用恒定的導通及關斷時間，器件在35000個cycle時就失效了，第二種恒定殼溫的方法在45000 cycle時失效，第三種恒功率法大概在不到70000個cycle時失效，而使用第四種恒結溫法的話，器件壽命可以達到95000個cycle以上。這個結果也是比較好理解的，我們知道，功率循環的次數與結溫波動量密切相關，隨著功率循環的進行，被測器件導通壓降及熱阻勢必上升，如果導通時間及導通電流恒定的話，那么在老化后期器件結溫會高于測試初期，器件所能承受的功率循環次數必然會少于恒定結溫法。

下面是開米尼茨大學的研究結果，他們列舉了6種測試方法，其中恒功率法分為通過調節導通電流和調節門極電壓兩種方法，而恒定結溫法分為通過調節導通電流、門極電壓和導通時間三種方法。其中最嚴苛的恒定脈沖法，與最寬松的減小導通時間維持恒定結溫法的結果相差在百分之五十以上。

這是一個非常巨大的差距，所以在判斷一款功率器件PC壽命的時候，不光要看功率循環的cycle值是多少，更要看測試的方法是什么。英飛凌模塊的功率循環曲線是依照最嚴苛的條件，也就是恒定導通時間和導通電流的方法來測試的，保證產品具有最高等級的可靠性。

測試的樣品比較是有限的，那有限樣品下的壽命結果如何能科學的統計為一個可信的壽命值呢？那就是另一個有意思的話題了，有興趣的同學可以看看這篇論文。

我們下次再聊。