技术干货｜功率半导体器件可靠性试验-功率循环测试

　　功率半导体器件是电力电子的核心部分，能够实现电能转换和电路控制，有功率转换、功率放大、功率开关、线路保护、逆变（直流转交流）和整流（交流转直流）等作用。

　　功率器件在新能源汽车、轨道交通、智能电网等领域有着广泛的应用，特别是随着新能源电动汽车的高速发展，以金属-氧化物半导体场效应晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET）和绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)为代表的晶体管功率器件市场需求更是大增。

　　车规级功率器件由于高工作电压、高功率密度、高开关频率的特性，以及更加恶劣的使用环境，对器件的可靠性质量期望更高。其中功率循环（Power cycling，简称PC）测试更接近实际工况使用，是评估功率器件可靠性的最主要方式，是AEC-Q101与AQG-324等车规级器件测试标准内的必测项目。

　　PC测试以芯片工作中自发热为热源，被测器件模拟实际使用环境被安装在散热器上，通入一定占空比的电流，使结温T_j在电流导通时间t_on内升温到预期最大结温T_jmax，同时全程以水冷或风冷的方式使得器件在电流断开时间t_off内降温至最小结温T_jmin，由此带来结温的周期性变化，结温的反复周期变化使器件封装内部的芯片粘结层和键合线处产生热膨胀系数不匹配，从而诱发器件分层，断裂失效。

　　在PC试验中，导致失效的直接激励源是结温变化ΔT_j和最大结温T_jmax，通常通过控制t_on和负载电流IH等间接控制结温变化和最大结温。结温的检测采用K系数的方式进行间接计算而获得，见下图1的以IGBT K系数测试案例，选取六个温度点下的压降V_ce拟合获得结温和压降趋势线，功率循环过程通过监测压降的变化得出结温变化ΔT_j和最大结温T_jmax。

　图1 K系数测试案例

　　在功率循环中初始参数IH，T_on，T_off等的摸底选择会决定被测器件的测试严酷性，同时被测器件失效相关的参数的监测也十分重要。目前功率循环设备可通过恒电流，恒功率，恒结温差，恒壳温差等几种工作模式进行循环测试。可同时监测循环过程中结温变化△T_j、结壳热阻R_thjc、最大结温T_jmax、最小结温T_jmin等参数变化趋势（见下图2-图5），根据车规AQG 324标准要求，以IGBT为例，功率循环测试过程R_thjc变化率超过20%或者饱和压降V_ce变化率超过5%即判定为失效。V_ce一般反映的是键合线失效，R_thjc一般反映的是芯片与底板之间粘结层的失效。

图2△T_j循环曲线

图3 R_thjc循环曲线

图4 T_jmax循环曲线

图5 T_jmin循环曲线

　　CTI华测检测目前已配备多台功率循环测试系统，可进行Si基及第三代半导体材料功率器件的秒级功率循环(PC_sec)、分钟级功率循环(PC_min)测试，同时可对功率循环测试后的器件进行静态参数验证。