SiC二極管功率循環(huán)試驗結溫應力條件研究

李嘉樂

（吉林大學，長春 130000）

引言

功率循環(huán)是車規(guī)級電力電子器件的重要可靠性考核試驗項目[1,2]，主要考核器件與鍵合線、基板的焊接以及材料熱匹配相關的可靠性。國內(nèi)對該試驗的標準化工作尚未完成，相關國際標準規(guī)定的試驗條件比較寬泛，如IEC 60747-9:2007[3]，這些標準中僅規(guī)定試驗過程中結溫變化量大于等于100 ℃。隨著半導體新材料、新工藝的持續(xù)發(fā)展，車規(guī)級二極管的焊接可靠性也得到了顯著提高，按照原有標準進行的功率循環(huán)試驗已經(jīng)很難達到暴露器件焊接缺陷的試驗目的。另一方面，功率循環(huán)試驗周期較長，在產(chǎn)品工藝提升過程中存在成本高、時效性差的缺點，其應用受到很大局限，需要對目前的試驗條件進行進一步研究。

功率循環(huán)作為一種已經(jīng)標準化的可靠性試驗方法，國內(nèi)外進行了大量研究。Thomas Hunger[4]等指出功率循環(huán)與被動熱循環(huán)（傳統(tǒng)功率循環(huán)）的一個主要區(qū)別是溫度分布不均勻。呂高[5]等研究了功率循環(huán)下IGBT模塊電熱參數(shù)的變化規(guī)律，得到了有關電熱特性參數(shù)的退化規(guī)律。曾丁軍[6]等通過仿真的方式研究了功率循環(huán)下IGBT的失效模式。蔣多暉[7]等也對功率循環(huán)的加速方法做過初步研究，以IGBT為對象進行了結溫變化量為60 K、80 K和100 K的功率循環(huán)試驗，證實了通過增加結溫變化量加速功率循環(huán)試驗的可行性，并得出經(jīng)典壽命預測模型可以擴展到100 K的結溫差的結論。

本文通過在標準功率循環(huán)試驗基礎上，設計步進應力功率循環(huán)試驗，逐漸增加試驗過程中的結溫變化量，定量研究提高功率循環(huán)試驗結溫控制條件的可行性，從而加速暴露缺陷，縮短試驗周期，研究其試驗參數(shù)的合理控制范圍。

1 試驗方案與系統(tǒng)

1.1 試驗方法和條件

功率循環(huán)試驗也被稱為間歇工作壽命試驗，在試驗時，通過直接加電方式使器件升溫，并控制加熱電流通斷循環(huán)，對器件施加間歇性的電熱應力。由于器件的熱功率集中在芯片上，在器件工作時結溫會高于殼溫，并自結到殼形成一定的溫度梯度。功率循環(huán)試驗中，由結到殼的溫度梯度循環(huán)變化，在電流開通的半周期內(nèi)（即Ton，見圖1），移除和關閉所有輔助散熱，對器件加電，使結溫快速升高，從而能滿足結溫的變化量要求，而殼溫變化量小于結溫，形成一定的溫度梯度。而在器件的關斷周期（即Toff），結溫在強制對流等輔助散熱手段下快速下降，逐漸降低到和殼溫相近的水平，并穩(wěn)定到環(huán)境溫度附近，原有的溫度梯度消失，如此往復循環(huán)。

圖1 功率循環(huán)中溫度與電流的時序圖

功率循環(huán)試驗的考核目的與一般的老煉試驗或穩(wěn)態(tài)工作壽命試驗有所不同，因器件中各層材料之間熱膨脹系數(shù)和溫度變化情況不同，在承受周期性電熱應力時會產(chǎn)生周期性的界面剪切力，導致器件產(chǎn)生物理損傷。功率循環(huán)過程中器件的溫度梯度在逐漸變化，同時器件無法避免逐漸的積累疲勞老化效應，因此這種溫度變化規(guī)律也不夠穩(wěn)定。這些因素導致很難通過工藝設計實現(xiàn)材料間完美的熱匹配，需要依靠提高材料本身的物理結合的牢固性來提高可靠性。功率循環(huán)即主要考核此類與熱膨脹有關的材料粘合與焊接的可靠性，一般主要關注基板與相鄰材料之間的開裂損傷以及引線焊接牢固性等。

在有關國際標準中，功率循環(huán)試驗僅要求結溫變化量大于等于100 ℃，并不規(guī)定其他具體條件。在進行試驗時，需通過調(diào)節(jié)施加到被測器件兩端的正向電壓，控制其正向電流的大小和改變器件上的功率，實現(xiàn)規(guī)定的結溫變化量。一般規(guī)定的試驗周期為1000 h，本文先按照標準條件進行一組常規(guī)功率循環(huán)試驗，驗證樣品耐受功率循環(huán)試驗的能力。在此基礎上逐漸增加結溫變化量，每次增加10 ℃，每次試驗20 h，獲取器件的失效溫度，并分析其失效機理，從而確定通過增加結溫變化量實現(xiàn)試驗加速的可行性范圍。

因為功率循環(huán)試驗本身關注于與焊接松動、開裂及其他和熱效應導致的材料物理損傷，加速原則應保證在不改變失效機理的前提下縮短試驗周期，因此當器件發(fā)生燒毀這類極端失效時，應該判斷失效機理已經(jīng)改變，加速功率循環(huán)試驗時結溫控制條件應小于此時的結溫變化量，也就確定了合理的試驗加速條件范圍。

1.2 試驗系統(tǒng)

本文使用的功率循環(huán)試驗系統(tǒng)如圖2所示，系統(tǒng)使用工控機軟件執(zhí)行邏輯控制，直流穩(wěn)壓電源提供被測器件的功率電流和測試電流，通過兩個獨立的回路施加到被測器件。試驗中調(diào)試功率電流取值與器件輸出電流額定值、器件熱阻、試驗夾具熱沉等因素有關，試驗中以滿足器件結溫變化量的要求為準，需要估值試湊。測試電流用于結溫監(jiān)測，在該電流下測試器件內(nèi)部PN結正向壓降，通過K系數(shù)計算結溫，測試電流一般取經(jīng)驗值20 mA左右為宜,一般該取值下芯片溫升可以忽略不計，又能提供足夠的壓降值以滿足結溫的檢測精度。

圖2 功率循環(huán)試驗系統(tǒng)

測試電流在整個試驗過程中一直施加在被測器件上，作為結溫檢測信號并監(jiān)視硬件狀態(tài)，功率電路通過電子開關控制，間歇性施加在被測器件上，每個功率循環(huán)周期中開啟功率電流的時序為Ton，關斷的時序為Toff，通過變頻器控制交流異步風機在Toff工作，Ton不工作，使器件快速溫升快速冷卻，提高試驗效率。參數(shù)監(jiān)測主要檢測器件的壓降，確保器件的電參數(shù)和結溫滿足預定試驗狀態(tài)，功率電流壓降通過直流電源直接監(jiān)測，測試電流壓降通過同步采樣模數(shù)數(shù)據(jù)采集芯片監(jiān)測，最終反饋到工控機，進行顯示和存儲。

1.3 結溫測試中的K系數(shù)標定

結溫是功率循環(huán)試驗的核心試驗參數(shù)，結溫測試依據(jù)電學法熱阻測試的相關原理進行，二極管的正向電壓值會隨著結溫的變化而變化，并在一定條件范圍內(nèi)有近似線性關系，該器件正向電壓隨溫度變化的斜率即為K系數(shù)。試驗過程中通過預先測得的K系數(shù)與被測器件實時電參數(shù)計算結溫。

使用熱阻測試儀測試器件K系數(shù)，測試時使用強氣流沖擊系統(tǒng)進行環(huán)境溫度控制，測試電流與功率循環(huán)試驗中的測試電流保持一致，均為20 mA，測試溫度范圍為（25～110）℃。本文的試驗對象為某國產(chǎn)新型SiC二極管，取試驗樣品三只，測得該條件下正向電壓與溫度的關系曲線如圖3所示，使用SLOPE函數(shù)求得該圖線的斜率即為K系數(shù)。

圖3 飛機機身內(nèi)外部環(huán)境溫度分布圖

圖3 K系數(shù)測試結果曲線

由圖可見在該溫度范圍內(nèi)相關參數(shù)確為線性關系，求得的K系數(shù)具有適用性，且三只樣品的K系數(shù)十分接近，說明產(chǎn)品工藝一致性良好，取樣能夠代表試驗樣品K系數(shù)的整體水平。取其平均值作為試驗中所用K系數(shù)的值，得到K系數(shù)為-1.60 mV/℃，作為預置參數(shù)輸入試驗系統(tǒng)，標定結溫計算公式。

2 試驗結果與分析

2.1 △Tj≥100 ℃的功率循環(huán)試驗

首先按照國際標準規(guī)定進行△Tj≥100 ℃的功率循環(huán)試驗，原則上結溫變化量在滿足△Tj≥100 ℃的前提下以接近為宜，因為樣品間存在些許差異性，試驗中控制的結溫變化量在（100～110）℃之間。

樣品數(shù)量10只，試驗周期為1000 h，每小時約進行15個循環(huán)，在試驗開始前及168 h、500 h和1000 h時間節(jié)點處分別測試電參數(shù)。功率循環(huán)試驗引起的疲勞老化可能會引起器件正向或反向電特性的變化，結合器件本身的電特性參數(shù)測試條件，選取以下4個參數(shù)進行測試以觀測器件的退化：①正向電流為1 mA時的正向電壓（VF＠1mA）；②正向電流為10 A時的正向電壓（VF＠10A）；③反向電壓為650 V時的反向漏電流（IR）；④反向漏電流為50 μA時的擊穿電壓（VR）。

試驗前后的測試結果分別如圖4、圖5所示。

圖4 正向電流為10 A時的正向電壓測試結果

圖5 擊穿電壓測試結果

全部10只樣品經(jīng)過標準規(guī)定的功率循環(huán)試驗，未發(fā)生失效。在參數(shù)退化角度，當器件發(fā)生老化時，正向電壓和反向漏電流應該升高，而擊穿電壓則可能會降低。從測試結果來看，樣品在正向電流為1 mA時的正向電壓先是略有降低，繼而略微升高，試驗初期的反常的趨勢可能與退火效應有關，或是因為此參數(shù)變化幅度較小而被測試誤差掩蓋，另外擊穿電壓整體上呈略微下降趨勢，其他兩個參數(shù)沒有出現(xiàn)易于觀測的退化趨勢。四個參數(shù)在試驗前后（試驗開始前和1000 h試驗結束后）變化量的百分比分別為0.16 %、-0.36 %、0.65 %和-0.54 %，變化量都非常小。

這些現(xiàn)象整體上驗證了之前所述，當前功率循環(huán)試驗的條件對于新型SiC二極管而言相對比較寬松，作為考核評價試驗時，新型高可靠性產(chǎn)品將容易通過，但無法達到暴露器件設計缺點的試驗目的，對工藝優(yōu)化難以提供直接幫助。

2.2 步進應力功率循環(huán)試驗

因為△Tj≥100 ℃功率循環(huán)試驗引起的該型號樣品退化程度比較輕微，為研究試驗的極限條件，另取4只同型號樣品，將結溫變化量從130 ℃開始，逐次增加10 ℃，樣品在不同結溫變化量條件下連續(xù)進行試驗，直到有樣品發(fā)生失效為止。每個結溫變化量條件下的試驗持續(xù)20 h，每小時約進行15個循環(huán)。

試驗前后的測試結果分別如圖6、圖7所示，圖中橫軸坐標為結溫變化量，最左側為試驗前的初測數(shù)據(jù)，為了方便顯示圖6使用了對數(shù)坐標。

圖6 步進應力時的VF（IF=10 A）測試結果

圖7 步進應力時的擊穿電壓測試結果

試驗進行到結溫變化量230 ℃時，其中一只樣品出現(xiàn)了失效，試驗終止。從測試數(shù)據(jù)來看，隨著結溫變化量的增加，在試驗后半段，各項參數(shù)都開始出現(xiàn)了更加明顯的退化趨勢。去除失效的一只樣品的數(shù)據(jù)，僅統(tǒng)計其余三只樣品的退化，整個試驗前后四項參數(shù)的變化量分別為1.81 %、2.51 %、42.51%和3.87 %。步進應力試驗共進行了11個溫度點，總試驗時間共計220 h，整體參數(shù)的變化幅度已經(jīng)明顯大于常規(guī)功率循環(huán)試驗，初步證明了通過提高結溫變化量來加速功率循環(huán)試驗的可行性。但器件反向擊穿電壓在190 ℃之前逐漸降低，符合常規(guī)功率循環(huán)試驗的趨勢，但在200 ℃后出現(xiàn)反常的升高趨勢，可能意味著器件的老化損傷的機理已經(jīng)開始改變，因此，對于該型SiC二極管器件而言，通過增加結溫變化量加速功率循環(huán)試驗的合理性范圍大概在190 ℃到200 ℃左右。

2.3 失效樣品分析

對失效的一只樣品進行分析，確認失效機理，尋找產(chǎn)品工藝設計的薄弱環(huán)節(jié)。

樣品的X射線檢查如圖8也可以觀察到鍍層融化后聚集產(chǎn)生的陰影，鍵合線和基板等結構的鄰接關系未見明顯異常。將樣品開封并制樣研磨，用顯微鏡觀測，得到失效樣品的局部微觀圖，如圖9所示。失效器件的鍵合仍然牢固，鍵合剪切試驗也仍然合格，因此該器件的失效不是鍵合線的焊接疲勞引起的。

圖8 失效樣品的X射線圖

圖9 失效樣品的基板與鍍層結合處

另一方面，基板與相鄰材料間的結構也基本正常，而基板與鍍層的微觀圖中，可見鍍層融化后，向高溫部位聚集，形成了疏松的金屬斑塊。鍍層斑塊主要聚集在芯片附近，因此器件失效是因為熱應力累積，導致芯片出現(xiàn)了熱應力損傷，最終發(fā)生了失效。這種失效模式已經(jīng)于功率循環(huán)試驗的設計目標不同，因此230℃的結溫變化量超出了功率試驗加速的合理性范圍。

3 結論

由于第三代半導體新材料、新工藝的發(fā)展，相關國際標準中規(guī)定的二極管功率循環(huán)試驗條件變得相對保守，無法達到暴露器件工藝設計缺陷的試驗目的。本文設計對功率循環(huán)的核心試驗條件——結溫變化量進行加嚴，以期加快退化過程，縮短試驗周期。首先開展了常規(guī)標準規(guī)定的功率循環(huán)試驗，在此基礎上每次將結溫變化量增加10 ℃，開展步進應力試驗，通過試驗過程中的電參數(shù)測試結果變化規(guī)律及失效分析結果，判斷合理的參數(shù)加嚴范圍。最終驗證了通過加嚴結溫變化量加速功率循環(huán)試驗是可行的，并確定本實驗所用產(chǎn)品的合理的加速條件，其上限大致為結溫變化量（190～200）℃左右，超出這一范圍失效機理將會發(fā)生改變，試驗同樣難以達到預定效果。