功率循環(huán)測試-簡介

功率循環(huán)測試是一種功率半導(dǎo)體器件的可靠性測試方法，被列為AEC-Q101與AQG-324等車規(guī)級測試標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)的必測項目。相對于溫度循環(huán)測試，功率循環(huán)通過在器件內(nèi)運行的芯片發(fā)熱使器件到達(dá)設(shè)定溫度；以及溫度循環(huán)，通過外部環(huán)境迫使被測器件到達(dá)測試溫度。

簡而言之，一個是運動發(fā)熱，一個是高溫中暑。

由于功率循環(huán)測試時被測器件發(fā)熱部分主要分布于器件工作區(qū)域內(nèi)，因此它具有相似于正常運行時器件封裝老化（aging）規(guī)律，故功率循環(huán)測試被認(rèn)可為最接近于實際應(yīng)用的功率器件可靠性測試而受到廣泛的關(guān)注。

功率循環(huán)測試過程中，器件內(nèi)部溫度分布以及應(yīng)力變化

功率循環(huán)測試臺是應(yīng)用于功率器件功率循環(huán)測試裝置的設(shè)計原理不是很繁雜。試驗臺內(nèi)由電流源向被測器件提供負(fù)載電流，電流/電壓探頭對被測器件電流/電壓進(jìn)行實時監(jiān)測，控制器操縱電流源使負(fù)載電流按照設(shè)定的時間斷流。設(shè)備整體的主要成本在電流源與控制器，設(shè)備的設(shè)計難度在于程序控制以及數(shù)據(jù)采集硬件。

功率循環(huán)測試設(shè)備簡圖

功率循環(huán)測試時直接測試數(shù)據(jù)為器件電壓降、負(fù)載電流和器件底部溫度等。通過選擇數(shù)據(jù)采樣時間點采集最高溫和最低溫下被測器件電壓和器件底部溫度的變化情況，再經(jīng)過計算獲得器件芯片的溫度變化情況和器件內(nèi)熱阻的變化情況。

功率循環(huán)測試中，檢測時間點以及被測試參數(shù)

由于大多數(shù)器件在測試中是處于被封裝狀態(tài)，其內(nèi)部溫度不可通過直接手段進(jìn)行檢測，故在功率循環(huán)測試中，器件內(nèi)部芯片的溫度是采用K系數(shù)的方式進(jìn)行間接計算而獲得的。功率循環(huán)測試時直接測試數(shù)據(jù)為器件電壓降、負(fù)載電流和器件底部溫度等。硅基IGBT芯片溫度通常由Vce（集電極-發(fā)射極電壓）來計算。同時Vce還可以反映IGBT器件內(nèi)部電流路徑老化程度，將Vce升高作為器件損壞判據(jù)。

IGBT器件的K系數(shù)（Vce-Tj 擬合線）

被測試器件的熱阻在功率循環(huán)測試中應(yīng)當(dāng)被實時監(jiān)控，因為其反映了器件散熱能力的變化。熱阻通過下列方程簡單計算得出，20%的Rth增長被認(rèn)定為器件失效的標(biāo)準(zhǔn)。

以下列功率循環(huán)測試中收集的數(shù)據(jù)為例，Vce在427.4k循環(huán)數(shù)左右發(fā)生階段跳躍，同時器件芯片的最高溫度（Tj,high）上升明顯。這表明器件芯片表面的鍵合線出現(xiàn)斷裂或脫落。而Rth無明顯變化，表明器件內(nèi)部散熱層老化情況不明顯。

功率循環(huán)測試中的數(shù)據(jù)

上圖功率循環(huán)試驗數(shù)據(jù)存在明顯不足，就是試驗數(shù)據(jù)噪聲大，不能正確反映器件內(nèi)部真實狀態(tài)。造成這一不足的主要原因是被測器件電學(xué)連接不夠標(biāo)準(zhǔn)、功率循環(huán)測試設(shè)備精度受限、測試數(shù)據(jù)監(jiān)測時間點選擇錯誤等。