半导体IGBT模块的可靠性测试

IGBT功率半导体器件是新能源、轨道交通、电动汽车、工业应用和家用电器等应用的核心部件。特别是随着新能源电动汽车的高速发展，功率半导体器件的市场更是爆发式的增长，区别于消费电子市场，车规级功率半导体器件由于高工作结温、高功率密度、高开关频率的特性，和更加恶劣的使用环境，使得器件的可靠性显得尤为重要。功率循环作为功率器件耐久性试验中的一种，被工业界和学术界认为是考核功率器件封装可靠性最重要的可靠性测试。

IGBT模块的可靠性测试

*汽车级模块的可靠性等级是仅次于军工级的，其寿命可靠性要求达到15年20万公里，且失效率要

求要PPB（十亿分之一）量级。

下面以英飞凌以下产品的可靠性测试数据为例：

在整个测试过程中，必须对测试前、测试中、测试后的器件参数进行测量和对比。对IGBT而言，当测试参数出现以下变化时，就可认为出现失效：

功率模块的可靠性测试

PC（Power cycle） 功率循环测试——目前公认的最有效的IGBT模块寿命评估的实验依据

测试目的：模拟IGBT模块的正常使用工况，评估IGBT模块的使用寿命。

测试标准：IEC 60749-34 IEC60747-9

测试原理：让芯片间歇流过电流产生间隙发热功率，从而使芯片温度波动。

测试条件（sec）：Ton＜5s，Ic=85%Ic(max)，VGE=15V

失效机理：材料间的CTE（热膨胀系数）不一致导致绑定线脱落，断裂，芯片焊层分离。

芯片焊层的分离有两种模式，含铅的焊层一般从边缘向中心逐渐分离，而锡银材料的焊层一般从中心向边缘逐渐分离。

测试条件（min）：Ton＞15s，Ic=85%Ic，VGE=15V

失效机理：模块在壳温的波动下DBC与基板之间热应力过大导致DBC与基板分离。

*使用CTE系数近似的材料可以提高热循环次数

IGBT模块性能

• IGBT模块再实际应用中性能表现好坏如何其实主要是以下几个方面：

➢ 芯片耐压，越高越可靠。

➢ 芯片安全工作区，越大越可靠。

➢ 芯片最高耐温，越高越可靠，输出电流能力越强。

➢ 功率循环能力，次数越多，寿命越长。

➢ 芯片饱和压降，越低发热越小，输出电流能力越强。

➢ 芯片损耗，发热越低越好。

➢ 模块热阻，越小散热越好

➢ ……

*车规功率模块可靠性测试引用规范——引用CASA

• GB/T 2423.10电工电子产品环境试验第2 部分：试验方法试验Fc：振动(正弦)

• GB/T 4937.31半导体器件机械和气候试验方法第31部分：塑封器件的易燃性（内部的）

• GJB33半导体分立器件总规范

• GJB128半导体分立器件试验方法

• AECQ101基于失效机理的汽车应用分立半导体器件应力试验认证（
Failuremechanismbasedstresstestqualificationfordiscretesemiconductorsinautomotiveapplications）

• AEC-Q005无铅测试要求（Pb-free test requirements）

• AQG 324机动车辆电力电子转换单元应用的功率模块认证（Qualification of Power Modules for Use inPower Electronics Converter Units in Motor Vehicles）

• IEC 60747-8半导体器件分立器件第8部分：场效应晶体管（Semiconductor devices -Discrete devices -Part 8: Field-effect transistors）

• IEC 60747-9半导体器件分立器件第9部分：绝缘栅双极型晶体管（Semiconductor devices -Part 9: Discrete devices -Insulated-gate bipolar transistors (IGBTs)）

• IEC60747-15半导体器件分立器件第15部分：单独的功率半导体器件（Semiconductor devices -Discrete devices -Part 15: Isolated power semiconductor devices）

• IEC 60749-25半导体器件机械和环境试验方法第25部分：温度循环（Semiconductor devices -Mechanical and climatic test methods -Part 25: Temperature cycling）

• IEC 60749-34半导体器件机械和环境试验方法第34部分：功率循环（Semiconductor devices -Mechanical and climatic test methods -Part 34: Power cycling）

• IEC 60068-2-27环境试验第2-27部分：冲击（Environmental testing -Part 2-27: Tests -Test Ea andguidance: Shock）

• JESD22封装器件可靠性试验方法（Reliability test methodsforpackageddevices）

• MILSTD19500半导体器件总规范（Semiconductordevices,generalspecificationfor）

• MILSTD750半导体器件试验方法（
Testmethodsforsemiconductordevices）