功率循環(huán)測(cè)試-簡(jiǎn)介

功率循環(huán)測(cè)試是一種功率半導(dǎo)體器件的可靠性測(cè)試方法，被列為AEC-Q101與AQG-324等車規(guī)級(jí)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)的必測(cè)項(xiàng)目。相對(duì)于溫度循環(huán)測(cè)試，功率循環(huán)通過在器件內(nèi)運(yùn)行的芯片發(fā)熱使器件到達(dá)設(shè)定溫度；以及溫度循環(huán)，通過外部環(huán)境迫使被測(cè)器件到達(dá)測(cè)試溫度。

簡(jiǎn)而言之，一個(gè)是運(yùn)動(dòng)發(fā)熱，一個(gè)是高溫中暑。

由于功率循環(huán)測(cè)試時(shí)被測(cè)器件發(fā)熱部分主要分布于器件工作區(qū)域內(nèi)，因此它具有相似于正常運(yùn)行時(shí)器件封裝老化（aging）規(guī)律，故功率循環(huán)測(cè)試被認(rèn)可為最接近于實(shí)際應(yīng)用的功率器件可靠性測(cè)試而受到廣泛的關(guān)注。

功率循環(huán)測(cè)試過程中，器件內(nèi)部溫度分布以及應(yīng)力變化

功率循環(huán)測(cè)試臺(tái)是應(yīng)用于功率器件功率循環(huán)測(cè)試裝置的設(shè)計(jì)原理不是很繁雜。試驗(yàn)臺(tái)內(nèi)由電流源向被測(cè)器件提供負(fù)載電流，電流/電壓探頭對(duì)被測(cè)器件電流/電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，控制器操縱電流源使負(fù)載電流按照設(shè)定的時(shí)間斷流。設(shè)備整體的主要成本在電流源與控制器，設(shè)備的設(shè)計(jì)難度在于程序控制以及數(shù)據(jù)采集硬件。

功率循環(huán)測(cè)試設(shè)備簡(jiǎn)圖

功率循環(huán)測(cè)試時(shí)直接測(cè)試數(shù)據(jù)為器件電壓降、負(fù)載電流和器件底部溫度等。通過選擇數(shù)據(jù)采樣時(shí)間點(diǎn)采集最高溫和最低溫下被測(cè)器件電壓和器件底部溫度的變化情況，再經(jīng)過計(jì)算獲得器件芯片的溫度變化情況和器件內(nèi)熱阻的變化情況。

功率循環(huán)測(cè)試中，檢測(cè)時(shí)間點(diǎn)以及被測(cè)試參數(shù)

由于大多數(shù)器件在測(cè)試中是處于被封裝狀態(tài)，其內(nèi)部溫度不可通過直接手段進(jìn)行檢測(cè)，故在功率循環(huán)測(cè)試中，器件內(nèi)部芯片的溫度是采用K系數(shù)的方式進(jìn)行間接計(jì)算而獲得的。功率循環(huán)測(cè)試時(shí)直接測(cè)試數(shù)據(jù)為器件電壓降、負(fù)載電流和器件底部溫度等。硅基IGBT芯片溫度通常由Vce（集電極-發(fā)射極電壓）來計(jì)算。同時(shí)Vce還可以反映IGBT器件內(nèi)部電流路徑老化程度，將Vce升高作為器件損壞判據(jù)。

IGBT器件的K系數(shù)（Vce-Tj 擬合線）

被測(cè)試器件的熱阻在功率循環(huán)測(cè)試中應(yīng)當(dāng)被實(shí)時(shí)監(jiān)控，因?yàn)槠浞从沉似骷崮芰Φ淖兓?。熱阻通過下列方程簡(jiǎn)單計(jì)算得出，20%的Rth增長被認(rèn)定為器件失效的標(biāo)準(zhǔn)。

以下列功率循環(huán)測(cè)試中收集的數(shù)據(jù)為例，Vce在427.4k循環(huán)數(shù)左右發(fā)生階段跳躍，同時(shí)器件芯片的最高溫度（Tj,high）上升明顯。這表明器件芯片表面的鍵合線出現(xiàn)斷裂或脫落。而Rth無明顯變化，表明器件內(nèi)部散熱層老化情況不明顯。

功率循環(huán)測(cè)試中的數(shù)據(jù)

上圖功率循環(huán)試驗(yàn)數(shù)據(jù)存在明顯不足，就是試驗(yàn)數(shù)據(jù)噪聲大，不能正確反映器件內(nèi)部真實(shí)狀態(tài)。造成這一不足的主要原因是被測(cè)器件電學(xué)連接不夠標(biāo)準(zhǔn)、功率循環(huán)測(cè)試設(shè)備精度受限、測(cè)試數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)時(shí)間點(diǎn)選擇錯(cuò)誤等。