汽車功率電子（例如 IGBT）必須設計為可達到數千小時的工作時間和上百萬次功率循環，承受高達 200 °C 的溫度。可靠性尤其關鍵，而故障成本可能是很大的問題。隨著工業電子系統對能量需求的增加，汽車功率電子設備和元器件供應商面臨著提供汽車OEM廠商所需的高可靠性系統的挑戰。

　　隨著能量載荷壓力的不斷增加，功率電子設備創新帶來了一些新的技術，例如使用能夠增強熱傳遞系數的直接鍵合銅基板、改進的互連技術（粗封裝鍵合線、帶式鍵合等）和無焊料芯片粘接技術，來增強模塊的循環功能。這些新的基板有助于降低溫度，載帶可載荷更大的電流，而且無焊料芯片粘接可以是燒結的銀，具有特別低的熱阻。所有這些事實上都有助于改善器件中的熱路徑。但是，這些系統上的熱應力和熱機應力仍然會造成相關的功率循環和散熱故障。這些應力可能會導致很多問題，如封裝鍵合線降級、芯片粘接疲勞、疊層分層以及芯片或基板破裂。

　　結點中散發的熱量是可能影響 IGBT 芯片中所用的芯片粘接材料可靠性的主要因素之一。功率循環測試是模擬模塊壽命期的理想選擇，因為與 IGBT 模塊對應的開關循環次數可根據目標應用預測。

　　本文描述功率循環測試和瞬態熱測試的組合實驗，在此實驗中我們使器件經受功率循環，從而產生故障，然后在不同的穩態之間執行瞬態熱測試，以此確定 IGBT 小樣品的故障原因。這些類型的測試為正確地重新設計模塊的物理結構提供支持，如果需要，它還可充當熱機應力仿真的輸入。

　　我們的目標是利用可復制的流程研究當前 IGBT 模塊中出現的常見故障模式。但是，這些測試的數量并未高到足以預測壽命期，我們只是通過這些測試來檢查 IGBT 芯片中的降級流程。我們首先對樣品進行瞬態熱測試。試驗測量結果顯示，器件在不同穩態之間的熱瞬態為 180 秒。在器件上利用 10 A 的驅動電流達到熱穩態，當我們開始采集數據時它轉換成 100 mA 的傳感器電流。

　　圖 1 顯示了描述樣品最初的“健康”狀態的熱瞬態函數。利用此曲線和相應的結構函數作為封裝的詳細數值表示的校準基礎。結構函數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，結構函數是“本質”一維熱流的直接模型，例如圓盤中的徑向擴散（極坐標系中的一維流）、球面擴散、錐形擴散等。這樣，結構函數可用于大致地識別幾何形狀/材料參數。結構函數可通過加熱曲線或冷卻曲線的直接數學變換獲得。這些曲線可從測量結果或仿真熱路徑的詳細結構模型中獲得。

　　圖 1：研究 IGBT 的瞬態熱響應。

　　創建熱仿真模型

　　我們隨后會構建并驗證模塊的詳細三維模型，以便分析結構內部的溫度分布。在所有器件發生故障并拆解模塊之后，再測量幾何參數。圖 2 中顯示了模型布局（圖 3 中顯示的是疊層結構）。

　　這樣，我們可以確仿真模型的行為方式與實際器件完全相同，然后我們進行材料參數調節，直到從仿真瞬態結果獲得的結構函數與源自經驗的結構函數相擬合。這個流程需要進行多次迭代。

　　圖 2：仿真模型的布局。

　　圖 3：IGBT 模塊的疊層結構。

　　根據測得的幾何形狀以及對材料參數的最佳猜想創建的基線模型顯示，熱瞬態行為與實際器件存在明顯差異。此類偏差可通過校準模型并連續地完善模型數據予以消除。我們通過擬合從模型的熱瞬態仿真獲得的結構函數（圖 4 中的紅色曲線）與實際器件的測量結果生成的結構函數（藍色曲線）實現這一目的。

　　圖 4：基線模型的仿真結果。

　　接下來，我們開始通過擬合封裝的內部功能來校準器件。然后，我們沿熱流路徑方向從封裝向外，連續地擬合不同區域的熱容和熱阻值。為了正確地調節芯片電容，我們要確保芯片的物理尺寸正確無誤，并正確地設置熱源。在這種情況下，我們需要增加受熱面積，直到芯片區域的電容值在結構函數中互相重疊。

　　然后，我們需要確保將陶瓷層的熱阻設置為適當的水平。隨著陶瓷熱導率的升高，結構函數中對應的熱阻部分可能會降低以產生新擬合部分。在此之后，我們將器件與冷板之間的銅皮和熱學界面材料 （TIM） 設置為適當的熱導率以正確地匹配曲線（圖 5）。

　　圖 5：模型校準之后的仿真（藍色）和測量（紅色）瞬態的結構函數。

　　在功率測試儀中運行器件

　　只要記錄了 IGBT 熱結構的初始狀態，器件就可以接受可靠性測試以評估其長期行為。我們將所選的 IGBT 模塊固定到帶有導熱墊的水冷式冷板上。與大部分導熱膏和導熱硅脂相比，導熱墊的導熱性較差，但是它在早前的實驗中顯示出了極佳的熱穩定性，因此不會影響測得的結果。冷板溫度設置為 25 °C。

　　測試中的模塊包含兩個半橋模塊，即四個 IGBT。將器件的門級連接到漏極，同時半橋模塊使用單獨的驅動電路供電（見圖 6）。所有 IGBT 連接到瞬態熱測試儀設備的獨立通道。

　　圖 6：用于功率循環和瞬態熱測量的 IGBT 電氣連接。

　　我們決定在測試中對器件應用 100 °C 的變溫以加速功率循環流程。選擇此值是為了確保最高結溫為 125 °C，這是器件允許的最高溫度。我們將應用于模塊的功率最大化以縮短循環時間，并選擇適當的時機達到 100 °C 的目標變溫。IGBT 模塊可處理高達 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。根據先前的試驗測量，可選擇 25 A 的加熱電流。

　　我們需要使用 200 W 的功率加熱 3 秒使芯片預熱到 125 °C。設置的冷卻時間應可確保芯片有足夠的時間冷卻下來，且平均溫度在測試過程中不會發生變化。圖 7 顯示了時序圖和溫度分布圖。

　　圖 7：功率循環期間的加熱功率和結溫切換圖。

　　無論發生壓降變化還是熱阻升高，應用的加熱電流和測定時間在整個測試流程中均保持恒定。記錄每個循環中的器件冷卻瞬態，這樣就能夠連續地監測結溫變化。每經過 200 個循環，使用 10A 加熱電流執行一次全長瞬態測量，以檢查熱流路徑的結構完整性。

　　門級氧化層損壞而非封裝鍵合線缺陷引發的故障

　　在我們的實驗中，我們會繼續功率循環，直到器件完全無法工作（短路或斷路）。這就是我們的故障標準。在被測的四個 IGBT 器件中，有一個器件（樣品 3）發生故障明顯地早于其他器件，只經過 10，158 個功率循環（圖 8）。這種過早發生故障的原因可能是在冷板中安裝不當或其他隨機錯誤。其他三個器件，即樣品 0、1 和 2 顯示出相似的行為，分別在經過 40，660、41，476 和 43，489 個循環后發生故障。

　　圖 8：器件發生故障之前應用的功率循環數量。

　　在所有 IGBT 都發生故障之后，我們會拆解模塊并檢查芯片和封裝鍵合線的狀況。圖 9 是其中一個芯片的照片，顯示在測試期間有多條封裝鍵合線斷裂，芯片表面有一個區域發生燒灼，這可能是應用高電流時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熱和門級氧化層損壞導致的。這些效應隨后通過電氣測試進行檢查和跟蹤：封裝鍵合線破裂可通過 VCE（集電極-發射極）電壓升高指示，門級氧化層損壞可造成 IG（門級漏電）升高。設計 IGBT 功率循環設備時，應當測量這些參數。

　　此外，還需要調查基板和底板之間的結點以及芯片粘接，以便了解過熱來源，這是我們需要校準仿真模型的原因。圖 10 顯示了使用校準后的詳細模型仿真加熱期結束時，兩個相鄰 IGBT 的溫度分布。相鄰芯片之間的熱耦合可以忽略不計；因此，可以單獨地調查每個芯片。

　　圖 10：3 秒鐘之后一個半橋模塊的仿真溫度分布。

　　由于加熱時間短，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 100 °C。這種結果表明，結構中最易受損的地方是芯片粘接材料。

　　定期測量的熱瞬態值允許我們根據應用的不同功率循環次數生成結構函數。圖 11 顯示產生的功率循環對每 5，000 個循環對應的結構函數的影響。在第一個電容階躍之后，平坦區域對應于芯片粘接材料。結構在 17，000 個循環之前保持穩定；但是，在此之后，芯片粘接材料明顯發生降級，并且其阻抗連續升高直至器件發生故障。

　　圖 11：樣品 0 對應于不同時間點的控制測量結果的結構函數。

　　如圖 12 中所示，讀取的芯片粘接層熱阻除以系統的初始結-環境阻抗，并繪制為功率循環的函數。此計算可確認該層在 15，000 個循環之后迅速開始降級。熱路徑的變化極其顯著，因為芯片粘接材料發生了極大的變化，在后一個結構元件中無法調查。但是，后一部分中的降級也可合理預測，只不過它們與芯片粘接材料的問題相比可忽略不計。

　　圖 12：初始狀態下的芯片粘接層熱阻與結-環境熱阻對比。

　　大約 20，000 個循環后，芯片粘接層的降級影響變得很明顯，在大約 10，000 個循環內，樣品的結-環境總熱阻由于循環而倍增。在 30，000 個循環后，我們無法確定芯片粘接層的熱阻，因為熱擴散路徑發生了變化。