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(jī)、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(dá)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(jī)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(jī)進(jìn)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(shí)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(jìn)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(fù)擔(dān)保固、產(chǎn)品召回和聲譽(yù)受損等損失。

　　功率模塊的可靠性測試并不是一項(xiàng)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(jìn)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(shí)驗(yàn)室進(jìn)行檢驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)室進(jìn)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(shí)驗(yàn)室檢驗(yàn)非常耗時且無法在測試過程中實(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)驗(yàn)室進(jìn)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(jìn)行功率循環(huán)和實(shí)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(jìn)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(jìn)行測試，每個模塊可單獨(dú)使用的電流高達(dá)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(dá)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(shí)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(jì)算機(jī)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(yùn)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(jìn)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(xì)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(kuò)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(lán)色曲線可了解結(jié)點(diǎn)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(diǎn)、基板焊點(diǎn)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(shí)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?yàn)榉庋b內(nèi)部層次脫層或破裂的關(guān)系，因?yàn)榭諝獾臒醾鲗?dǎo)能力明顯低于變化前固體的熱傳導(dǎo)能力。

　　

　　圖7是個實(shí)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(xì)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(shí)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(jìn)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(diǎn)

　　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(shí)驗(yàn)室驗(yàn)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(jìn)行測試，直至產(chǎn)品失效，并能實(shí)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(jì)時間可使用該測試設(shè)備。設(shè)計(jì)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(jì)進(jìn)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(yàn)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(yàn)證功率電子供貨商所提供的可靠度規(guī)格，對原始設(shè)計(jì)進(jìn)行測試。最后，高可靠度產(chǎn)品的制造商可借此設(shè)備來進(jìn)行最終的合格性測試，以保證公司產(chǎn)品的高質(zhì)量。