加強(qiáng)功率模組可靠性，功率循環(huán)/量測(cè)系統(tǒng)首當(dāng)其沖

　　在可預(yù)見的將來(lái)，功率電子元件的使用將持續(xù)不斷的增加。任何需要電力變換、轉(zhuǎn)換或控制等功能都須使用各種形式的功率電子元件?，F(xiàn)今功率電子元件已廣泛應(yīng)用于各種不同的行業(yè)（圖1）。灰色圓圈所代表的是需要使用功率模組的行業(yè)，如汽車業(yè)（電動(dòng)車、混合動(dòng)力車、燃料電池車等其他輪式車）、可再生能源業(yè)（太陽(yáng)能逆變器、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、太陽(yáng)能電站、衛(wèi)星太陽(yáng)能面板）、鐵路設(shè)施（引擎元件、牽引控制系統(tǒng)）及高階馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器。這些功率電子元件一般由多種絕緣閘雙極性電晶體（IGBT）或金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效電晶體（MOSFET）組成。

　　圖1　功率電子元件的應(yīng)用?；疑珗A圈表示須使用大功率模組的行業(yè)。在大功率電子行業(yè)中，電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車及其充電站對(duì)功率電子元件的需求都有顯著增長(zhǎng)。

　　功率元件可靠性挑戰(zhàn)倍增

　　對(duì)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(zhǎng)使用壽命尤其重要。用戶期望電動(dòng)車在連續(xù) 15？20年內(nèi)不出現(xiàn)任何重大維修問題；而鐵路產(chǎn)業(yè)則須持續(xù)使用至少30年或更久。對(duì)于時(shí)常派遣維修人員對(duì)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(yáng)能面板甚至須永久性的使用。

　　熱失效是高可靠性無(wú)法實(shí)現(xiàn)的主因。功率循環(huán)會(huì)使IGBT晶片端產(chǎn)生的熱通過模組，并散發(fā)到周圍環(huán)境中，其產(chǎn)生的應(yīng)力及熱會(huì)破壞模組。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（圖2）。模組的堆疊層，特別是晶片焊接處，會(huì)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，這些模組本可承受上萬(wàn)、甚至數(shù)以百萬(wàn)的功率循環(huán)次數(shù)。

　　圖2　IGBT模組產(chǎn)生故障的原因有很多種，包括焊線老化或脫落。

　　那么，我們?nèi)绾伪ＷC這些模組在其應(yīng)用領(lǐng)域中能持續(xù)使用多年，并耐受成千上萬(wàn)次功率循環(huán)呢？這不僅僅是功率電子模組供應(yīng)商的責(zé)任，亦是相關(guān)產(chǎn)業(yè)供應(yīng)商皆須克服的難題，無(wú)論是初期零組件供應(yīng)商，抑或是原始設(shè)備制造商（OEM）均責(zé)無(wú)旁貸。若所生產(chǎn)的功率模組太早出現(xiàn)損壞的情況，則OEM應(yīng)該為此負(fù)擔(dān)保固、產(chǎn)品召回、聲譽(yù)受損等損失。

　　功率模組的可靠性測(cè)試并不是一項(xiàng)新的挑戰(zhàn)，但傳統(tǒng)的模組測(cè)試過程非常漫長(zhǎng)且具有不準(zhǔn)確性和不確定性（圖3）。一般可靠性的測(cè)試會(huì)將IGBT模組安裝于設(shè)備上，并提供規(guī)定的安培數(shù)進(jìn)行功率循環(huán)的測(cè)試。元件在經(jīng)過多次功率循環(huán)測(cè)試（500次、1，000次、5，000 次等）之后，用戶須將模組從設(shè)備上取下送往實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行檢驗(yàn)，確認(rèn)是否有無(wú)故障。若沒有故障則繼續(xù)重復(fù)該循環(huán)測(cè)試直至模組最終失效為止。此時(shí)模組將被再次送往實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行檢查，藉由X光、聲測(cè)、目測(cè)或破壞性的解剖方式來(lái)確定故障的原因。

　　圖3　傳統(tǒng)的IGBT模組可靠性測(cè)試方法耗時(shí)、準(zhǔn)確性低，無(wú)法在測(cè)試過程中即時(shí)觀察到失效的產(chǎn)生，只能確定最后產(chǎn)品是否失效。

　　重復(fù)的功率循環(huán)測(cè)試和實(shí)驗(yàn)室檢驗(yàn)非常耗時(shí)且無(wú)法在測(cè)試過程中即時(shí)觀察到失效的產(chǎn)生，只能在最后確定元件是否失效。而若因多種不同原因所引起的失效，則可能無(wú)法確定其確切的原因。

　　新的可靠性測(cè)試方法應(yīng)運(yùn)而生

　　我們需要一種更有效、快速確定失效原因的測(cè)試方式。此方法要能在功率循環(huán)測(cè)試時(shí)量測(cè)模組中的電/熱效應(yīng)，并即時(shí)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)和量測(cè)整合于同一設(shè)備中才能實(shí)現(xiàn)，使用戶毋須將模組從功率循環(huán)測(cè)試設(shè)備上取出送往實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行失效分析。明導(dǎo)（Mentor Graphics）新推出的MicReD Industrial Power Tester 1500A就能提供這樣的測(cè)試環(huán)境。

　　圖4是功率測(cè)試設(shè)備進(jìn)行功率循環(huán)和即時(shí)量測(cè)/診斷的示意圖。該測(cè)試設(shè)備利用MicRed T3Ster暫態(tài)熱特性技術(shù)對(duì)元件進(jìn)行量測(cè)（如晶片封裝、LED和系統(tǒng)）。主要特征有：

　　圖4　測(cè)試設(shè)備整合功率循環(huán)和即時(shí)量測(cè)的方法，可即時(shí)監(jiān)控模組的失效并減少實(shí)驗(yàn)室的事后分析。

　?。捎糜|控螢?zāi)粊?lái)控制、定義模組的特性和測(cè)試順序及方法

　　無(wú)論是專家、產(chǎn)品工程師或技術(shù)人員都能簡(jiǎn)單的學(xué)習(xí)和使用。軟體能儲(chǔ)存相關(guān)的參數(shù)供重復(fù)使用，能用來(lái)測(cè)試多個(gè)產(chǎn)線上的樣本或產(chǎn)品品質(zhì)可靠性。

　?。?500安培的電源可同時(shí)提供三個(gè)不同的模組進(jìn)行測(cè)試，每個(gè)模組可單獨(dú)使用的電流高達(dá)500安培。

　　電源切換的時(shí)間僅需不到100微秒，這也是T3Ster設(shè)備在高準(zhǔn)確性暫態(tài)熱特性測(cè)試中所要求的速度。

　　．循環(huán)測(cè)試時(shí)，用戶可自行定義時(shí)間間隔來(lái)量測(cè)、紀(jì)錄模組的順向電壓變化，其最大取樣速率高達(dá)每秒一百萬(wàn)個(gè)樣本。

　　這些資料都將顯示在觸控螢?zāi)簧?，并直接產(chǎn)生出結(jié)構(gòu)函數(shù)。

　?。逵山Y(jié)構(gòu)函數(shù)可即時(shí)分析模組各層結(jié)構(gòu)，并發(fā)現(xiàn)任何因失效所可能產(chǎn)生的變化（晶片或黏接層脫離、破裂等）。

　　這些資訊都能協(xié)助確定失效產(chǎn)生的確切時(shí)間和原因。

　?。踩袝?huì)監(jiān)測(cè)任何潛在的危險(xiǎn)因素，如煙、冷卻板液體泄漏、設(shè)備過熱等。

　　一旦偵測(cè)到這些因素，測(cè)試設(shè)備將馬上關(guān)閉所有的電源；但為保存測(cè)試資料，不斷電供應(yīng)系統(tǒng)（UPS）仍將繼續(xù)為電腦供電，直至所有資料得到安全保存。

　　結(jié)構(gòu)函數(shù)精密分析重要性大增

　　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(shí)間了解這相關(guān)的技術(shù)。圖5是一個(gè)典型的模組堆疊層及其對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)函數(shù)示意圖。在功率循環(huán)測(cè)試時(shí)，高功率（最大 1，500安培）會(huì)輸入至元件來(lái)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）接點(diǎn)正向電壓變化會(huì)被量測(cè)紀(jì)錄下來(lái)，同時(shí)藉由復(fù)雜的數(shù)學(xué)演算來(lái)建立出結(jié)構(gòu)函數(shù)。

　　圖5　典型的模組堆疊層及其對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)函數(shù)

　　功率電晶體接點(diǎn)所產(chǎn)生熱會(huì)經(jīng)過各堆疊層，最終擴(kuò)散到周圍環(huán)境中，而結(jié)構(gòu)函數(shù)顯示出元件堆疊層的等效模型，同時(shí)亦表示熱傳導(dǎo)路徑上的熱阻和熱容特性。沿著圖中的黑色曲線可了解接點(diǎn)到周圍環(huán)境中的整體熱傳路徑，橫軸部分代表堆疊層的熱阻（如晶片焊點(diǎn)、基板焊點(diǎn)及導(dǎo)熱膏），其結(jié)構(gòu)較薄，無(wú)法儲(chǔ)存太多熱量，但熱阻較大。相反地，曲線中相對(duì)垂直的部分，則代表有較大熱容的堆疊層（儲(chǔ)熱能力較高，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生一些熱阻），如基板。

　　結(jié)構(gòu)函數(shù)會(huì)記錄元件在功率循環(huán)測(cè)試過程中的即時(shí)變化，當(dāng)發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)函數(shù)出現(xiàn)變化時(shí)，如圖6中所出現(xiàn)的較長(zhǎng)的熱阻部分，這表示堆疊層中某一層（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)槎询B層脫層或破裂的關(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6　某層（灰線標(biāo)注）熱阻的增加可能預(yù)示著該層脫層或破裂。

　　圖 7是個(gè)實(shí)際的例子。該測(cè)試中，每五千次的功率循環(huán)測(cè)試都會(huì)擷取一次結(jié)構(gòu)函數(shù)。從測(cè)試開始到第一萬(wàn)五千次功率循環(huán)測(cè)試后，線1所呈現(xiàn)的線形基本上不變，表明元件無(wú)任何失效或故障。在第二萬(wàn)次功率循環(huán)測(cè)試后（線6），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。在之后的二萬(wàn)五千、三萬(wàn)和三萬(wàn)五千次功率循環(huán)后，線型顯示某層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)顯著劣化，最后導(dǎo)致元件失效。藉由結(jié)合功率循環(huán)與即時(shí)監(jiān)控結(jié)構(gòu)函數(shù)的方式，可以觀察到失效的產(chǎn)生并確定失效的原因，毋須將元件從測(cè)試設(shè)備上取出，即能對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析診斷。

　　圖7　元件在功率循環(huán)測(cè)試三萬(wàn)五千次后明顯失效

　　與傳統(tǒng)測(cè)試方法相比，此測(cè)試系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)方法須要反覆循環(huán)測(cè)試、拆卸元件、實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證等過程，非常耗時(shí)且無(wú)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(cè)試順序，并自動(dòng)執(zhí)行指令，將一開始正常的元件進(jìn)行測(cè)試，直至產(chǎn)品失效，并能即時(shí)觀察元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(gè)元件同時(shí)測(cè)試，從而提高處理能力，滿足產(chǎn)品樣本或品質(zhì)測(cè)試的需求。

　　擺脫傳統(tǒng)測(cè)試方式弊病　結(jié)合功率循環(huán)/量測(cè)系統(tǒng)勢(shì)起

　　此測(cè)試設(shè)備可廣泛應(yīng)用于供應(yīng)鏈中的各廠商，如功率電子模組供應(yīng)商在模組的設(shè)計(jì)階段可使用該測(cè)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(cè)試設(shè)備來(lái)測(cè)試樣本的可靠性指標(biāo)；若無(wú)法通過測(cè)試，則可對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行修改。此外，測(cè)試設(shè)備還能用來(lái)產(chǎn)生產(chǎn)品資料表上的可靠度規(guī)格，在生產(chǎn)過程的產(chǎn)品抽驗(yàn)也能使用此設(shè)備。

　　初期元件供應(yīng)商可使用功率測(cè)試設(shè)備，以驗(yàn)證功率電子供應(yīng)商所提供的可靠度規(guī)格，對(duì)原始設(shè)計(jì)進(jìn)行測(cè)試。最后，高可靠度產(chǎn)品的制造商可藉此設(shè)備，以進(jìn)行最終的合格性測(cè)試，保證公司產(chǎn)品的高品質(zhì)。