如何提高功率電子模塊的可靠性？

　　在可預(yù)見的將來，功率電子組件的使用將持續(xù)不斷的增加。任何需要電力變換、轉(zhuǎn)換或控制等功能都需使用各種形式的功率電子組件。如圖1所示，功率電子組件廣泛應(yīng)用于各種不同的行業(yè)。紅色圓圈所代表的是需要使用功率模塊的行業(yè)，如汽車業(yè)(電動汽車、混合動力汽車、燃料電池汽車等其他輪式汽車)、可再生能源業(yè)(光伏逆變器、風(fēng)力發(fā)電機、太陽能電站、衛(wèi)星太陽能面板)、鐵路設(shè)施(引擎組件、牽引控制系統(tǒng))、以及高端馬達驅(qū)動器。這些功率電子組件一般由多種IGBT(絕緣柵雙極晶體管)或功率MOSFET(金屬氧化物半導(dǎo)體場效晶體管)組成。

　　圖1 功率電子組件的應(yīng)用。紅色圓圈表示需使用大功率模塊的行業(yè)。在大功率電子行業(yè)中，電動汽車、混合動力汽車及其充電站對功率電子組件的需求都有顯著增長。(來源：法國市場調(diào)研機構(gòu)YoleDeveloppement.)

　　可靠性挑戰(zhàn)

　　對于使用IGBT或功率MOSFET的用戶而言，可靠性是他們關(guān)注的首要議題。在這些行業(yè)中，產(chǎn)品的高可靠性和長使用壽命尤其重要。用戶期望電動車在連續(xù)15至20年內(nèi)不出現(xiàn)任何重大維修問題，而鐵路產(chǎn)業(yè)則需持續(xù)使用至少30年或更久。對于時常派遣維修人員對離岸風(fēng)力發(fā)電機進行維修顯然是不可行的，衛(wèi)星太陽面板甚至需永久性的使用。熱失效是高可靠性無法實現(xiàn)的主要原因。功率循環(huán)會使IGBT芯片端產(chǎn)生的熱通過模塊并散發(fā)到周圍環(huán)境中，其產(chǎn)生的應(yīng)力及熱會破壞模塊。焊線可能因疲勞老化的原因而脫落或斷裂，甚至進一步惡化導(dǎo)致完全失效。模塊的封裝內(nèi)部層次，特別是芯片焊接處會因熱-結(jié)構(gòu)應(yīng)力的作用下而脫層并破裂。在完全失效前，這些模塊本可承受上萬、甚至數(shù)以百萬的功率循環(huán)次數(shù)。

　　那么，我們?nèi)绾伪ＷC這些模塊在其應(yīng)用領(lǐng)域中能持續(xù)使用多年并且耐受成千上萬次功率循環(huán)呢?這不僅僅是功率電子模塊供貨商的責(zé)任，也是相關(guān)產(chǎn)業(yè)供貨商都必須克服的難題，無論是初期零組件供貨商，抑或是最終產(chǎn)品的代工廠(O E M)都責(zé)無旁貸。若所生產(chǎn)的功率模塊太早出現(xiàn)損壞的情況，則O E M廠應(yīng)該為此負擔(dān)保固、產(chǎn)品召回和聲譽受損等損失。

　　功率模塊的可靠性測試并不是一項新的挑戰(zhàn)，但傳統(tǒng)的模塊測試過程非常漫長且具有不準(zhǔn)確性和不確定性(圖3)。一般可靠性的測試會將IGBT模塊安裝于設(shè)備上并提供規(guī)定的安培數(shù)進行功率循環(huán)的測試。組件在經(jīng)過多次功率循環(huán)測試(500次、1000次、5000次等)之后，用戶須將模塊從設(shè)備上取下送往實驗室進行檢驗，確認(rèn)是否有故障。若沒有故障則繼續(xù)重復(fù)該循環(huán)測試直至模塊最終失效為止。此時模塊將被再次送往實驗室進行檢查，借由X光探傷、超聲波檢測、光學(xué)檢測或破壞性的解剖方式來確定故障的原因。重復(fù)的功率循環(huán)測試和實驗室檢驗非常耗時且無法在測試過程中實時觀察到失效的產(chǎn)生，只能在最后確定組件是否失效。而若因多種不同原因所引起的失效則可能無法確定其確切的原因。

　　圖3 傳統(tǒng)的IGBT模塊可靠性測試方法耗時、準(zhǔn)確性低，無法在測試過程中實時觀察到失效的產(chǎn)生，只能確定最后產(chǎn)品是否失效

　　新的可靠性測試方法

　　我們需要一種更有效、快速確定失效原因的測試方式。此方法要能在功率循環(huán)測試時量測模塊中的電/熱效應(yīng)，并實時發(fā)現(xiàn)失效原因而不是依賴事后的診斷。為了滿足以上的需求，唯有將功率循環(huán)和測試整合于同一設(shè)備中才能實現(xiàn)，使用戶無須將模塊從功率循環(huán)測試設(shè)備上取出送往實驗室進行失效分析。Men tor Graphic s新推出的MicReD Industrial Power Tester 1500A就能提供這樣的測試環(huán)境。圖4是功率測試設(shè)備進行功率循環(huán)和實時測試/診斷的示意圖。該測試設(shè)備利用MicRed T3Ster瞬時熱特性技術(shù)對組件進行量測(如芯片封裝、LED和系統(tǒng))。主要特征有：

　　1) 采用觸控屏幕來控制、定義模塊的特性和測試順序及方法。無論是專家、產(chǎn)品工程師或技術(shù)人員都能簡單的學(xué)習(xí)和使用。軟件能存儲相關(guān)的參數(shù)供重復(fù)使用，能用來測試多個在線的樣本或產(chǎn)品質(zhì)量可靠性。

　　2) 1500A的電源可同時提供三個不同的模塊進行測試，每個模塊可單獨使用的電流高達500A.電源切換的時間僅需不到100μs,這也是T3Ster設(shè)備在高準(zhǔn)確性瞬時熱特性測試中所要求的速度。

　　3) 循環(huán)測試時，用戶可自行定義時間間隔來測試、記錄模塊的正向電壓變化，其最大采樣率高達到每秒100萬個樣本。這些數(shù)據(jù)都將顯示在觸控屏幕上并直接產(chǎn)生出“結(jié)構(gòu)函數(shù)”。

　　4) 使用結(jié)構(gòu)函數(shù)可實時分析模塊各層結(jié)構(gòu)，并發(fā)現(xiàn)任何因失效所可能產(chǎn)生的變化(芯片或黏接層脫離、破裂等)。這些信息都能協(xié)助確定失效產(chǎn)生的確切時間和原因。

　　5) 安全功能控制盒會監(jiān)測任何潛在的危險因素，例如：煙、冷卻板液體泄漏、設(shè)備過熱等。一旦偵測到這些因素，測試設(shè)備將馬上關(guān)閉所有的電源。但為了保存測試數(shù)據(jù)，不間斷電源(UPS)仍將繼續(xù)為計算機供電，直至所有數(shù)據(jù)得到安全保存。

　　結(jié)構(gòu)函數(shù)的精密分析

　　結(jié)構(gòu)函數(shù)的數(shù)學(xué)運算相當(dāng)復(fù)雜，但值得花時間來了解這相關(guān)的技術(shù)。圖5是一個典型的模塊封裝內(nèi)部層次及其對應(yīng)的結(jié)構(gòu)函數(shù)示意圖。在功率循環(huán)測試時，高功率(最大1500A)會輸入至組件來進行加熱，待穩(wěn)態(tài)后則迅速關(guān)閉。依照J(rèn)ESD51-14標(biāo)準(zhǔn)，精細的(微伏)結(jié)正向電壓變化會被量測記錄下來，同時借由復(fù)雜的數(shù)學(xué)演算來建立出結(jié)構(gòu)函數(shù)。

　　

　　功率晶體管結(jié)所產(chǎn)生的熱會經(jīng)過各堆棧層，最終擴散到周圍環(huán)境中，而結(jié)構(gòu)函數(shù)顯示出模塊封裝內(nèi)部層次的等效模型，同時也表示熱傳導(dǎo)路徑上的熱阻和熱容特性。沿著圖中的藍色曲線可了解結(jié)點到周圍環(huán)境中的整體熱傳路徑，橫軸部分代表模塊封裝內(nèi)部層次的熱阻(如芯片焊點、基板焊點及導(dǎo)熱膏)，其結(jié)構(gòu)較薄，無法儲存太多熱量，但熱

　　阻較大。相反地，曲線中相對垂直的部分則代表有較大熱容的堆棧層(儲熱能力較高，同時也會產(chǎn)生一些熱阻)，如基板。

　　結(jié)構(gòu)函數(shù)會記錄組件在功率循環(huán)測試過程中的實時變化，當(dāng)我們發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)函數(shù)出現(xiàn)變化時，如圖6中所出現(xiàn)的較長的熱阻部分，這表示模塊封裝內(nèi)部層次中某一層(這里指的是基板焊錫層)發(fā)生變化。典型的熱阻顯著增加可能是因為封裝內(nèi)部層次脫層或破裂的關(guān)系，因為空氣的熱傳導(dǎo)能力明顯低于變化前固體的熱傳導(dǎo)能力。

　　

　　圖7是個實際的例子。該測試中，每5000次的功率循環(huán)測試都會得到一次結(jié)構(gòu)函數(shù)。從測試開始到第15 000次功率循環(huán)測試后，綠色線所呈現(xiàn)的線形基本上不變，表明組件無任何失效或故障。在第20 000次功率循環(huán)測試后(橙色線)，我們看到曲線有細微的偏差，這說明某層結(jié)構(gòu)的熱阻開始升高。在之后的25 000、30 000和35 000次功率循環(huán)后，線形顯示某層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)顯著劣化，最后導(dǎo)致組件失效。借由結(jié)合功率循環(huán)與實時監(jiān)控結(jié)構(gòu)函數(shù)的方式，我們可以觀察到失效的產(chǎn)生并確定失效的原因，無須將組件從測試設(shè)備上取出便能對測試結(jié)果進行分析診斷。

　　

　　圖7 組件在功率循環(huán)測試35000次后明顯失效

　　結(jié)合功率循環(huán)/量測系統(tǒng)的優(yōu)點

　　與“傳統(tǒng)”測試方法相比，此測試系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢。傳統(tǒng)方法需要反復(fù)循環(huán)測試、拆卸組件、實驗室驗證等過程，非常耗時且無法確定故障原因。采用結(jié)合系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)函數(shù)的技術(shù)，用戶可設(shè)置測試順序并自動執(zhí)行指令，將一開始正常的組件進行測試，直至產(chǎn)品失效，并能實時觀察組件失效或故障的原因。此外，此設(shè)備可提供較大的電流，供應(yīng)多個組件同時測試，從而提高處理能力，滿足產(chǎn)品樣本或質(zhì)量測試的需求。

　　此測試設(shè)備可廣泛應(yīng)用于供應(yīng)鏈中的各廠商。例如，功率電子模塊供貨商在模塊的設(shè)計時間可使用該測試設(shè)備。設(shè)計完成后的樣本生產(chǎn)過程中，同樣可使用功率測試設(shè)備來測試樣本的可靠性指標(biāo);若無法通過測試，則可對產(chǎn)品設(shè)計進行修改。此外，測試設(shè)備還能用來產(chǎn)生產(chǎn)品數(shù)據(jù)表上的可靠度規(guī)格，在生產(chǎn)過程的產(chǎn)品抽驗也能使用此設(shè)備。初期零組件供貨商可使用功率測試設(shè)備來驗證功率電子供貨商所提供的可靠度規(guī)格，對原始設(shè)計進行測試。最后，高可靠度產(chǎn)品的制造商可借此設(shè)備來進行最終的合格性測試，以保證公司產(chǎn)品的高質(zhì)量。