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)級測試標準內(nèi)的必測項目。與溫度循環(huán)測試相比，功率循環(huán)是通過器件內(nèi)部工作的芯片產(chǎn)生熱量，使得器件達到既定的溫度；而溫度循環(huán)則是通過外部環(huán)境強制被測試器件達到測試溫度。

簡而言之，一個是運動發(fā)熱，一個是高溫中暑。

由于在功率循環(huán)測試中的被測試器件的發(fā)熱部分集中在器件工作區(qū)域，其封裝老化（aging）模式與正常工作下的器件相類似，故功率循環(huán)測試被認可為于實際應(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)測試臺是用于功率器件進行功率循環(huán)測試的設(shè)備，其設(shè)計原理并不復(fù)雜。在試驗臺中，通過電流源供給負載電流給被測試器件，電流/電壓探頭實時監(jiān)控被測試器件的電流/電壓數(shù)據(jù)，控制器操控電流源實現(xiàn)負載電流按既定時間中斷。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

在功率循環(huán)測試過程中，直接檢測的數(shù)據(jù)是器件電壓降，負載電流以及器件底部溫度。通過選取數(shù)據(jù)采樣的時間點，收集被測試器件在溫與溫時的電壓與器件底部溫度變化，進而通過計算得出器件芯片溫度變化以及器件內(nèi)部的熱阻變化。

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)的方式進行間接計算而獲得的。K系數(shù)代表器件芯片的溫度敏感電學參數(shù)，其選取的原則在于簡單、可靠、敏感度高。硅基IGBT芯片的溫度一般采用Vce（集電極-發(fā)射極電壓）進行計算。同時Vce也能反映IGBT器件內(nèi)部電流路徑的老化情況，5%的Vce增加被認定為器件損壞的標準。

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增長被認定為器件失效的標準。

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)

上圖中的功率循環(huán)測試數(shù)據(jù)有一個明顯的缺陷，即測試數(shù)據(jù)的噪聲較大，無法準確反映器件內(nèi)部的真實情況。出現(xiàn)這種缺陷的原因有：被測試器件電學連接不規(guī)范，功率循環(huán)測試設(shè)備的精度有限，測試數(shù)據(jù)監(jiān)測時間點的選取失誤等等。