利用功率循環(huán)測(cè)試以分析汽車IGBT芯片的材料性能
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隨著能量載荷壓力的不斷增加，功率電子設(shè)備創(chuàng)新帶來(lái)了一些新的技術(shù)，例如使用能夠增強(qiáng)熱傳遞系數(shù)的直接鍵合銅基板、改進(jìn)的互連技術(shù)（粗封裝鍵合線、帶式鍵合等）和無(wú)焊料芯片粘接技術(shù)，來(lái)增強(qiáng)模塊的循環(huán)功能。這些新的基板有助于降低溫度，載帶可載荷更大的電流，而且無(wú)焊料芯片粘接可以是燒結(jié)的銀，具有特別低的熱阻。所有這些事實(shí)上都有助于改善器件中的熱路徑。但是，這些系統(tǒng)上的熱應(yīng)力和熱機(jī)應(yīng)力仍然會(huì)造成相關(guān)的功率循環(huán)和散熱故障。這些應(yīng)力可能會(huì)導(dǎo)致很多問題，如封裝鍵合線降級(jí)、芯片粘接疲勞、疊層分層以及芯片或基板破裂。
結(jié)點(diǎn)中散發(fā)的熱量是可能影響 IGBT 芯片中所用的芯片粘接材料可靠性的主要因素之一。功率循環(huán)測(cè)試是模擬模塊壽命期的理想選擇，因?yàn)榕c IGBT 模塊對(duì)應(yīng)的開關(guān)循環(huán)次數(shù)可根據(jù)目標(biāo)應(yīng)用預(yù)測(cè)。
本文描述功率循環(huán)測(cè)試和瞬態(tài)熱測(cè)試的組合實(shí)驗(yàn)，在此實(shí)驗(yàn)中我們使器件經(jīng)受功率循環(huán)，從而產(chǎn)生故障，然后在不同的穩(wěn)態(tài)之間執(zhí)行瞬態(tài)熱測(cè)試，以此確定 IGBT 小樣品的故障原因。這些類型的測(cè)試為正確地重新設(shè)計(jì)模塊的物理結(jié)構(gòu)提供支持，如果需要，它還可充當(dāng)熱機(jī)應(yīng)力仿真的輸入。
我們的目標(biāo)是利用可復(fù)制的流程研究當(dāng)前 IGBT 模塊中出現(xiàn)的常見故障模式。但是，這些測(cè)試的數(shù)量并未高到足以預(yù)測(cè)壽命期，我們只是通過(guò)這些測(cè)試來(lái)檢查 IGBT 芯片中的降級(jí)流程。我們首先對(duì)樣品進(jìn)行瞬態(tài)熱測(cè)試。試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果顯示，器件在不同穩(wěn)態(tài)之間的熱瞬態(tài)為 180 秒。在器件上利用 10 A 的驅(qū)動(dòng)電流達(dá)到熱穩(wěn)態(tài)，當(dāng)我們開始采集數(shù)據(jù)時(shí)它轉(zhuǎn)換成 100 mA 的傳感器電流。
圖 1 顯示了描述樣品最初的“健康”狀態(tài)的熱瞬態(tài)函數(shù)。利用此曲線和相應(yīng)的結(jié)構(gòu)函數(shù)作為封裝的詳細(xì)數(shù)值表示的校準(zhǔn)基礎(chǔ)。結(jié)構(gòu)函數(shù)是一維縱向熱流的直接模型。在很多常用的三維幾何形狀中，結(jié)構(gòu)函數(shù)是“本質(zhì)”一維熱流的直接模型，例如圓盤中的徑向擴(kuò)散（極坐標(biāo)系中的一維流）、球面擴(kuò)散、錐形擴(kuò)散等。這樣，結(jié)構(gòu)函數(shù)可用于大致地識(shí)別幾何形狀/材料參數(shù)。結(jié)構(gòu)函數(shù)可通過(guò)加熱曲線或冷卻曲線的直接數(shù)學(xué)變換獲得。這些曲線可從測(cè)量結(jié)果或仿真熱路徑的詳細(xì)結(jié)構(gòu)模型中獲得。
圖 1：研究 IGBT 的瞬態(tài)熱響應(yīng)。
創(chuàng)建熱仿真模型
我們隨后會(huì)構(gòu)建并驗(yàn)證模塊的詳細(xì)三維模型，以便分析結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度分布。在所有器件發(fā)生故障并拆解模塊之后，再測(cè)量幾何參數(shù)。圖 2 中顯示了模型布局（圖 3 中顯示的是疊層結(jié)構(gòu)）。
這樣，我們可以確仿真模型的行為方式與實(shí)際器件完全相同，然后我們進(jìn)行材料參數(shù)調(diào)節(jié)，直到從仿真瞬態(tài)結(jié)果獲得的結(jié)構(gòu)函數(shù)與源自經(jīng)驗(yàn)的結(jié)構(gòu)函數(shù)相擬合。這個(gè)流程需要進(jìn)行多次迭代。
圖 2：仿真模型的布局。
圖 3：IGBT 模塊的疊層結(jié)構(gòu)。
根據(jù)測(cè)得的幾何形狀以及對(duì)材料參數(shù)的最佳猜想創(chuàng)建的基線模型顯示，熱瞬態(tài)行為與實(shí)際器件存在明顯差異。此類偏差可通過(guò)校準(zhǔn)模型并連續(xù)地完善模型數(shù)據(jù)予以消除。我們通過(guò)擬合從模型的熱瞬態(tài)仿真獲得的結(jié)構(gòu)函數(shù)（圖 4 中的紅色曲線）與實(shí)際器件的測(cè)量結(jié)果生成的結(jié)構(gòu)函數(shù)（藍(lán)色曲線）實(shí)現(xiàn)這一目的。
圖 4：基線模型的仿真結(jié)果。
接下來(lái)，我們開始通過(guò)擬合封裝的內(nèi)部功能來(lái)校準(zhǔn)器件。然后，我們沿?zé)崃髀窂椒较驈姆庋b向外，連續(xù)地?cái)M合不同區(qū)域的熱容和熱阻值。為了正確地調(diào)節(jié)芯片電容，我們要確保芯片的物理尺寸正確無(wú)誤，并正確地設(shè)置熱源。在這種情況下，我們需要增加受熱面積，直到芯片區(qū)域的電容值在結(jié)構(gòu)函數(shù)中互相重疊。
然后，我們需要確保將陶瓷層的熱阻設(shè)置為適當(dāng)?shù)乃?。隨著陶瓷熱導(dǎo)率的升高，結(jié)構(gòu)函數(shù)中對(duì)應(yīng)的熱阻部分可能會(huì)降低以產(chǎn)生新擬合部分。在此之后，我們將器件與冷板之間的銅皮和熱學(xué)界面材料 （TIM） 設(shè)置為適當(dāng)?shù)臒釋?dǎo)率以正確地匹配曲線（圖 5）。
圖 5：模型校準(zhǔn)之后的仿真（藍(lán)色）和測(cè)量（紅色）瞬態(tài)的結(jié)構(gòu)函數(shù)。
在功率測(cè)試儀中運(yùn)行器件
只要記錄了 IGBT 熱結(jié)構(gòu)的初始狀態(tài)，器件就可以接受可靠性測(cè)試以評(píng)估其長(zhǎng)期行為。我們將所選的 IGBT 模塊固定到帶有導(dǎo)熱墊的水冷式冷板上。與大部分導(dǎo)熱膏和導(dǎo)熱硅脂相比，導(dǎo)熱墊的導(dǎo)熱性較差，但是它在早前的實(shí)驗(yàn)中顯示出了極佳的熱穩(wěn)定性，因此不會(huì)影響測(cè)得的結(jié)果。冷板溫度設(shè)置為 25 °C。
測(cè)試中的模塊包含兩個(gè)半橋模塊，即四個(gè) IGBT。將器件的門級(jí)連接到漏極，同時(shí)半橋模塊使用單獨(dú)的驅(qū)動(dòng)電路供電（見圖 6）。所有 IGBT 連接到瞬態(tài)熱測(cè)試儀設(shè)備的獨(dú)立通道。
圖 6：用于功率循環(huán)和瞬態(tài)熱測(cè)量的 IGBT 電氣連接。
我們決定在測(cè)試中對(duì)器件應(yīng)用 100 °C 的變溫以加速功率循環(huán)流程。選擇此值是為了確保最高結(jié)溫為 125 °C，這是器件允許的最高溫度。我們將應(yīng)用于模塊的功率最大化以縮短循環(huán)時(shí)間，并選擇適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)達(dá)到 100 °C 的目標(biāo)變溫。IGBT 模塊可處理高達(dá) 80 A 的電流，但是由于器件的壓降很高，額定功率就變成了限制因素。根據(jù)先前的試驗(yàn)測(cè)量，可選擇 25 A 的加熱電流。
我們需要使用 200 W 的功率加熱 3 秒使芯片預(yù)熱到 125 °C。設(shè)置的冷卻時(shí)間應(yīng)可確保芯片有足夠的時(shí)間冷卻下來(lái)，且平均溫度在測(cè)試過(guò)程中不會(huì)發(fā)生變化。圖 7 顯示了時(shí)序圖和溫度分布圖。
圖 7：功率循環(huán)期間的加熱功率和結(jié)溫切換圖。
無(wú)論發(fā)生壓降變化還是熱阻升高，應(yīng)用的加熱電流和測(cè)定時(shí)間在整個(gè)測(cè)試流程中均保持恒定。記錄每個(gè)循環(huán)中的器件冷卻瞬態(tài)，這樣就能夠連續(xù)地監(jiān)測(cè)結(jié)溫變化。每經(jīng)過(guò) 200 個(gè)循環(huán)，使用 10A 加熱電流執(zhí)行一次全長(zhǎng)瞬態(tài)測(cè)量，以檢查熱流路徑的結(jié)構(gòu)完整性。
門級(jí)氧化層損壞引發(fā)的故障#e#
門級(jí)氧化層損壞而非封裝鍵合線缺陷引發(fā)的故障
在我們的實(shí)驗(yàn)中，我們會(huì)繼續(xù)功率循環(huán)，直到器件完全無(wú)法工作（短路或斷路）。這就是我們的故障標(biāo)準(zhǔn)。在被測(cè)的四個(gè) IGBT 器件中，有一個(gè)器件（樣品 3）發(fā)生故障明顯地早于其他器件，只經(jīng)過(guò) 10，158 個(gè)功率循環(huán)（圖 8）。這種過(guò)早發(fā)生故障的原因可能是在冷板中安裝不當(dāng)或其他隨機(jī)錯(cuò)誤。其他三個(gè)器件，即樣品 0、1 和 2 顯示出相似的行為，分別在經(jīng)過(guò) 40，660、41，476 和 43，489 個(gè)循環(huán)后發(fā)生故障。
圖 8：器件發(fā)生故障之前應(yīng)用的功率循環(huán)數(shù)量。
在所有 IGBT 都發(fā)生故障之后，我們會(huì)拆解模塊并檢查芯片和封裝鍵合線的狀況。圖 9 是其中一個(gè)芯片的照片，顯示在測(cè)試期間有多條封裝鍵合線斷裂，芯片表面有一個(gè)區(qū)域發(fā)生燒灼，這可能是應(yīng)用高電流時(shí)線路脫開形成的電弧造成的。
圖 9：斷裂封裝鍵合線和燒灼芯片表面的照片。
盡管封裝鍵合線出現(xiàn)明顯的缺陷，但是中斷的封裝鍵合線并未造成器件故障。所有芯片的故障都是過(guò)熱和門級(jí)氧化層損壞導(dǎo)致的。這些效應(yīng)隨后通過(guò)電氣測(cè)試進(jìn)行檢查和跟蹤：封裝鍵合線破裂可通過(guò) VCE（集電極-發(fā)射極）電壓升高指示，門級(jí)氧化層損壞可造成 IG（門級(jí)漏電）升高。設(shè)計(jì) IGBT 功率循環(huán)設(shè)備時(shí)，應(yīng)當(dāng)測(cè)量這些參數(shù)。
此外，還需要調(diào)查基板和底板之間的結(jié)點(diǎn)以及芯片粘接，以便了解過(guò)熱來(lái)源，這是我們需要校準(zhǔn)仿真模型的原因。圖 10 顯示了使用校準(zhǔn)后的詳細(xì)模型仿真加熱期結(jié)束時(shí)，兩個(gè)相鄰 IGBT 的溫度分布。相鄰芯片之間的熱耦合可以忽略不計(jì)；因此，可以單獨(dú)地調(diào)查每個(gè)芯片。
圖 10：3 秒鐘之后一個(gè)半橋模塊的仿真溫度分布。
由于加熱時(shí)間短，基板-底板連接的最大溫升為 71 °C，但是芯片粘接溫度升高超過(guò) 100 °C。這種結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)中最易受損的地方是芯片粘接材料。
定期測(cè)量的熱瞬態(tài)值允許我們根據(jù)應(yīng)用的不同功率循環(huán)次數(shù)生成結(jié)構(gòu)函數(shù)。圖 11 顯示產(chǎn)生的功率循環(huán)對(duì)每 5，000 個(gè)循環(huán)對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)函數(shù)的影響。在第一個(gè)電容階躍之后，平坦區(qū)域?qū)?yīng)于芯片粘接材料。結(jié)構(gòu)在 17，000 個(gè)循環(huán)之前保持穩(wěn)定；但是，在此之后，芯片粘接材料明顯發(fā)生降級(jí)，并且其阻抗連續(xù)升高直至器件發(fā)生故障。
圖 11：樣品 0 對(duì)應(yīng)于不同時(shí)間點(diǎn)的控制測(cè)量結(jié)果的結(jié)構(gòu)函數(shù)。
如圖 12 中所示，讀取的芯片粘接層熱阻除以系統(tǒng)的初始結(jié)-環(huán)境阻抗，并繪制為功率循環(huán)的函數(shù)。此計(jì)算可確認(rèn)該層在 15，000 個(gè)循環(huán)之后迅速開始降級(jí)。熱路徑的變化極其顯著，因?yàn)樾酒辰硬牧习l(fā)生了極大的變化，在后一個(gè)結(jié)構(gòu)元件中無(wú)法調(diào)查。但是，后一部分中的降級(jí)也可合理預(yù)測(cè)，只不過(guò)它們與芯片粘接材料的問題相比可忽略不計(jì)。
圖 12：初始狀態(tài)下的芯片粘接層熱阻與結(jié)-環(huán)境熱阻對(duì)比。
大約 20，000 個(gè)循環(huán)后，芯片粘接層的降級(jí)影響變得很明顯，在大約 10，000 個(gè)循環(huán)內(nèi)，樣品的結(jié)-環(huán)境總熱阻由于循環(huán)而倍增。在 30，000 個(gè)循環(huán)后，我們無(wú)法確定芯片粘接層的熱阻，因?yàn)闊釘U(kuò)散路徑發(fā)生了變化。
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