SiC二极管功率循环试验结温应力条件研究.docx

? ? SiC二极管功率循环试验结温应力条件研究 ? ? 李嘉乐 （吉林大学，长春 130000） 引言 功率循环是车规级电力电子器件的重要可靠性考核试验项目[1,2]，主要考核器件与键合线、基板的焊接以及材料热匹配相关的可靠性。国内对该试验的标准化工作尚未完成，相关国际标准规定的试验条件比较宽泛，如IEC 60747-9:2007[3]，这些标准中仅规定试验过程中结温变化量大于等于100 ℃。随着半导体新材料、新工艺的持续发展，车规级二极管的焊接可靠性也得到了显著提高，按照原有标准进行的功率循环试验已经很难达到暴露器件焊接缺陷的试验目的。另一方面，功率循环试验周期较长，在产品工艺提升过程中存在成本高、时效性差的缺点，其应用受到很大局限，需要对目前的试验条件进行进一步研究。 功率循环作为一种已经标准化的可靠性试验方法，国内外进行了大量研究。Thomas Hunger[4]等指出功率循环与被动热循环（传统功率循环）的一个主要区别是温度分布不均匀。吕高[5]等研究了功率循环下IGBT模块电热参数的变化规律，得到了有关电热特性参数的退化规律。曾丁军[6]等通过仿真的方式研究了功率循环下IGBT的失效模式。蒋多晖[7]等也对功率循环的加速方法做过初步研究，以IGBT为对象进行了结温变化量为60 K、80 K和100 K的功率循环试验，证实了通过增加结温变化量加速功率循环试验的可行性，并得出经典寿命预测模型可以扩展到100 K的结温差的结论。 本文通过在标准功率循环试验基础上，设计步进应力功率循环试验，逐渐增加试验过程中的结温变化量，定量研究提高功率循环试验结温控制条件的可行性，从而加速暴露缺陷，缩短试验周期，研究其试验参数的合理控制范围。 1 试验方案与系统 1.1 试验方法和条件 功率循环试验也被称为间歇工作寿命试验，在试验时，通过直接加电方式使器件升温，并控制加热电流通断循环，对器件施加间歇性的电热应力。由于器件的热功率集中在芯片上，在器件工作时结温会高于壳温，并自结到壳形成一定的温度梯度。功率循环试验中，由结到壳的温度梯度循环变化，在电流开通的半周期内（即Ton，见图1），移除和关闭所有辅助散热，对器件加电，使结温快速升高，从而能满足结温的变化量要求，而壳温变化量小于结温，形成一定的温度梯度。而在器件的关断周期（即Toff），结温在强制对流等辅助散热手段下快速下降，逐渐降低到和壳温相近的水平，并稳定到环境温度附近，原有的温度梯度消失，如此往复循环。 图1 功率循环中温度与电流的时序图 功率循环试验的考核目的与一般的老炼试验或稳态工作寿命试验有所不同，因器件中各层材料之间热膨胀系数和温度变化情况不同，在承受周期性电热应力时会产生周期性的界面剪切力，导致器件产生物理损伤。功率循环过程中器件的温度梯度在逐渐变化，同时器件无法避免逐渐的积累疲劳老化效应，因此这种温度变化规律也不够稳定。这些因素导致很难通过工艺设计实现材料间完美的热匹配，需要依靠提高材料本身的物理结合的牢固性来提高可靠性。功率循环即主要考核此类与热膨胀有关的材料粘合与焊接的可靠性，一般主要关注基板与相邻材料之间的开裂损伤以及引线焊接牢固性等。 在有关国际标准中，功率循环试验仅要求结温变化量大于等于100 ℃，并不规定其他具体条件。在进行试验时，需通过调节施加到被测器件两端的正向电压，控制其正向电流的大小和改变器件上的功率，实现规定的结温变化量。一般规定的试验周期为1000 h，本文先按照标准条件进行一组常规功率循环试验，验证样品耐受功率循环试验的能力。在此基础上逐渐增加结温变化量，每次增加10 ℃，每次试验20 h，获取器件的失效温度，并分析其失效机理，从而确定通过增加结温变化量实现试验加速的可行性范围。 因为功率循环试验本身关注于与焊接松动、开裂及其他和热效应导致的材料物理损伤，加速原则应保证在不改变失效机理的前提下缩短试验周期，因此当器件发生烧毁这类极端失效时，应该判断失效机理已经改变，加速功率循环试验时结温控制条件应小于此时的结温变化量，也就确定了合理的试验加速条件范围。 1.2 试验系统 本文使用的功率循环试验系统如图2所示，系统使用工控机软件执行逻辑控制，直流稳压电源提供被测器件的功率电流和测试电流，通过两个独立的回路施加到被测器件。试验中调试功率电流取值与器件输出电流额定值、器件热阻、试验夹具热沉等因素有关，试验中以满足器件结温变化量的要求为准，需要估值试凑。测试电流用于结温监测，在该电流下测试器件内部PN结正向压降，通过K系数计算结温，测试电流一般取经验值20 mA左右为宜,一般该取值下芯片温升可以忽略不计，又能提供足够的压降值以满足结温的检测精度。 图2 功率循环试验系统 测试电流在整个试验过程中一直施加在被测器件上，作为结温检测信号并监视硬件状态