技術干貨 | 功率循環測試，確保功率器件封裝可靠性的關鍵！

功率半導體器件，特別是絕緣柵雙極型晶體管（IGBT），在新能源、軌道交通、電動汽車、工業應用和家用電器等諸多應用中都是不可或缺的核心部件。尤其在新能源電動汽車行業的迅猛崛起下，功率半導體器件市場迎來了爆發式的增長。與消費電子市場相比，車規級功率半導體器件所面臨的挑戰更為嚴峻，因其需要在高工作結溫、高功率密度和高開關頻率等嚴苛條件下穩定運行，同時還需要在更為惡劣的使用環境中保持出色的性能。因此，對于車規級功率半導體器件而言，其可靠性成為了一個至關重要的考量因素。

車規級功率模塊最常用的測試標準是歐洲電力電子研究中心（ECPE）發布的AQG 324，它詳細規范了功率循環測試的相關內容，引用了IEC 60749-34的測試標準和IEC 60747-9的產品參數標準，為功率模塊的驗證提供了全面的指導。在AQG-324中，詳細描述了功率模塊所需進行的各項測試項目、測試要求以及相應的測試條件，確保模塊在各種工作環境下都能達到預定的性能標準。

功率循環測試，作為評估功率器件封裝可靠性的關鍵實驗，近年來受到了廣泛關注。尤其隨著SiC MOSFET功率器件的快速發展，其封裝可靠性問題成為了研究熱點。

● 功率循環測試原理
功率循環（Power Cycling）是指讓芯片在間歇性通電的過程中產生熱量，從而使芯片溫度發生波動的過程。
功率循環對IGBT模塊損傷主要源于銅綁線和芯片表面鋁層的熱膨脹系數不同，以及芯片熱膨脹系數與DBC（Direct Bonded Copper）板不同，會在功率循環過程中引發一系列問題。這些損傷主要表現為綁線脫落、斷裂以及芯片焊層分離。因此，封裝材料CTE不匹配被認為是限制器件壽命的根本原因，結溫波動ΔTvj和最大結溫 Tvjmax是激勵源，而測試過程中的其他因素也會直接影響結溫的變化和最終的測試結果。如標準中規定當負載電流開通時間ton小于5s時 (稱為秒級功率循環) 主要考核的是芯片周圍的連接處，而當ton大于15s時 (稱為分鐘級功率循環) 考核的重點則是遠離芯片的連接處。

● 功率循環的基本電路原理圖和溫度變化曲線示意如圖所示：

負載電流通過外部開關的控制給被測器件施加一定占空比(ton/(ton+toff))的電ILoad，使器件加熱達到指定最大結溫Tvjmax。在這一過程中，為了確保器件熱量及時散失并降低結溫，通常會將被測器件安裝在可恒定溫度的水冷板或者水道工裝上。

當負載電流被切斷后，器件的結溫會降低至最小結溫Tvjmin，如此循環往復，從而實現對器件封裝可靠性的全面考核。因此，在一個完整的循環周期內(ton+toff)，被測器件的加熱時間或者電流開通時間被定義為ton，而電流關斷時間或降溫時間則為toff。而測量電流ISense則是一直加載在被測器件的兩端，這個測量電流通常選擇為器件額定電流的1/1000，以便于實現器件結溫的電學參數間接測量。

● K系數原理
由于IGBT模塊的結溫無法直接測量，我們采用溫度敏感K系數來進行計算，以間接獲取結溫信息。為了模擬結溫的變化，試驗中通過改變環境溫度來實現。具體操作時，將IGBT模塊置于高溫箱中，并選擇至少三個不同的溫度進行測試。為使IGBT模塊的溫度盡可能的與高溫試驗箱溫度達到均衡，這通常要求每個溫度的平衡時間不低于30分鐘。在這個過程中使IGBT飽和導通，并實時測量IGBT模塊VCE壓降VF（通過開爾文四線制測量VF）。因結溫與其導通電壓VF是呈線性關系，其比值可以用K來表示。

● 功率循環測試模式

• 恒定加熱電流模式(PCsec)
  穩定的Ton和Toff時間，被測壓接式 IGBT 器件的降級對得到的結溫變化幅度有直接的影響，這種方式對于功率循環來說最為嚴格。
• 恒定結溫差模式
  穩定的Ton和Toff時間，自動計算并調節加熱電流，以確保結溫差恒定。
• 恒定功率模式：Pv
  穩定的Ton和Toff時間，自動計算并調節加熱電流，以確保功率恒定。
• 恒定殼溫差模式ΔTC：循環中改變冷板的熱傳導系數 (PCmin)
  在功率循環測試中隨著Ton和Toff的時間，同步改變冷板內冷卻液的流量，通過改變柵極電壓來改變溫升；
  穩定的Ton和Toff時間，自動計算并調節加熱電流，以確保殼溫差恒定；
  這種模式適用于長時間周期的功率循環測試。

● 功率循環測試過程監測
在功率循環測試中，可以同時監測結溫變化△Tj、結殼熱阻Rthjc、最大結溫Tjmax和最小結溫Tjmin等參數的變化趨勢。根據車規AQG 324標準的要求，如果在測試過程中Rthjc的變化率超過20%或者飽和壓降Vce的變化率超過5%，那么被測器件將被判定為失效。其中，Vce的變化通常反映了鍵合線的失效情況，而Rthjc的變化則主要反映了芯片與底板之間粘結層的失效情況。