SiC二極管功率循環(huán)試驗(yàn)結(jié)溫應(yīng)力條件研究

李嘉樂(lè)

（吉林大學(xué)，長(zhǎng)春 130000）

引言

功率循環(huán)是車規(guī)級(jí)電力電子器件的重要可靠性考核試驗(yàn)項(xiàng)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(guān)的可靠性。國(guó)內(nèi)對(duì)該試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)化工作尚未完成，相關(guān)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)條件比較寬泛，如IEC 60747-9:2007[3]，這些標(biāo)準(zhǔn)中僅規(guī)定試驗(yàn)過(guò)程中結(jié)溫變化量大于等于100 ℃。隨著半導(dǎo)體新材料、新工藝的持續(xù)發(fā)展，車規(guī)級(jí)二極管的焊接可靠性也得到了顯著提高，按照原有標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的功率循環(huán)試驗(yàn)已經(jīng)很難達(dá)到暴露器件焊接缺陷的試驗(yàn)?zāi)康摹Ａ硪环矫妫β恃h(huán)試驗(yàn)周期較長(zhǎng)，在產(chǎn)品工藝提升過(guò)程中存在成本高、時(shí)效性差的缺點(diǎn)，其應(yīng)用受到很大局限，需要對(duì)目前的試驗(yàn)條件進(jìn)行進(jìn)一步研究。

功率循環(huán)作為一種已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化的可靠性試驗(yàn)方法，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了大量研究。Thomas Hunger[4]等指出功率循環(huán)與被動(dòng)熱循環(huán)（傳統(tǒng)功率循環(huán)）的一個(gè)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(guān)電熱特性參數(shù)的退化規(guī)律。曾丁軍[6]等通過(guò)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(duì)功率循環(huán)的加速方法做過(guò)初步研究，以IGBT為對(duì)象進(jìn)行了結(jié)溫變化量為60 K、80 K和100 K的功率循環(huán)試驗(yàn)，證實(shí)了通過(guò)增加結(jié)溫變化量加速功率循環(huán)試驗(yàn)的可行性，并得出經(jīng)典壽命預(yù)測(cè)模型可以擴(kuò)展到100 K的結(jié)溫差的結(jié)論。

本文通過(guò)在標(biāo)準(zhǔn)功率循環(huán)試驗(yàn)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)步進(jìn)應(yīng)力功率循環(huán)試驗(yàn)，逐漸增加試驗(yàn)過(guò)程中的結(jié)溫變化量，定量研究提高功率循環(huán)試驗(yàn)結(jié)溫控制條件的可行性，從而加速暴露缺陷，縮短試驗(yàn)周期，研究其試驗(yàn)參數(shù)的合理控制范圍。

1 試驗(yàn)方案與系統(tǒng)

1.1 試驗(yàn)方法和條件

功率循環(huán)試驗(yàn)也被稱為間歇工作壽命試驗(yàn)，在試驗(yàn)時(shí)，通過(guò)直接加電方式使器件升溫，并控制加熱電流通斷循環(huán)，對(duì)器件施加間歇性的電熱應(yīng)力。由于器件的熱功率集中在芯片上，在器件工作時(shí)結(jié)溫會(huì)高于殼溫，并自結(jié)到殼形成一定的溫度梯度。功率循環(huán)試驗(yàn)中，由結(jié)到殼的溫度梯度循環(huán)變化，在電流開(kāi)通的半周期內(nèi)（即Ton，見(jiàn)圖1），移除和關(guān)閉所有輔助散熱，對(duì)器件加電，使結(jié)溫快速升高，從而能滿足結(jié)溫的變化量要求，而殼溫變化量小于結(jié)溫，形成一定的溫度梯度。而在器件的關(guān)斷周期（即Toff），結(jié)溫在強(qiáng)制對(duì)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(fù)循環(huán)。

圖1 功率循環(huán)中溫度與電流的時(shí)序圖

功率循環(huán)試驗(yàn)的考核目的與一般的老煉試驗(yàn)或穩(wěn)態(tài)工作壽命試驗(yàn)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(yīng)力時(shí)會(huì)產(chǎn)生周期性的界面剪切力，導(dǎo)致器件產(chǎn)生物理?yè)p傷。功率循環(huán)過(guò)程中器件的溫度梯度在逐漸變化，同時(shí)器件無(wú)法避免逐漸的積累疲勞老化效應(yīng)，因此這種溫度變化規(guī)律也不夠穩(wěn)定。這些因素導(dǎo)致很難通過(guò)工藝設(shè)計(jì)實(shí)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(jié)合的牢固性來(lái)提高可靠性。功率循環(huán)即主要考核此類與熱膨脹有關(guān)的材料粘合與焊接的可靠性，一般主要關(guān)注基板與相鄰材料之間的開(kāi)裂損傷以及引線焊接牢固性等。

在有關(guān)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中，功率循環(huán)試驗(yàn)僅要求結(jié)溫變化量大于等于100 ℃，并不規(guī)定其他具體條件。在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，需通過(guò)調(diào)節(jié)施加到被測(cè)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(shí)現(xiàn)規(guī)定的結(jié)溫變化量。一般規(guī)定的試驗(yàn)周期為1000 h，本文先按照標(biāo)準(zhǔn)條件進(jìn)行一組常規(guī)功率循環(huán)試驗(yàn)，驗(yàn)證樣品耐受功率循環(huán)試驗(yàn)的能力。在此基礎(chǔ)上逐漸增加結(jié)溫變化量，每次增加10 ℃，每次試驗(yàn)20 h，獲取器件的失效溫度，并分析其失效機(jī)理，從而確定通過(guò)增加結(jié)溫變化量實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)加速的可行性范圍。

因?yàn)楣β恃h(huán)試驗(yàn)本身關(guān)注于與焊接松動(dòng)、開(kāi)裂及其他和熱效應(yīng)導(dǎo)致的材料物理?yè)p傷，加速原則應(yīng)保證在不改變失效機(jī)理的前提下縮短試驗(yàn)周期，因此當(dāng)器件發(fā)生燒毀這類極端失效時(shí)，應(yīng)該判斷失效機(jī)理已經(jīng)改變，加速功率循環(huán)試驗(yàn)時(shí)結(jié)溫控制條件應(yīng)小于此時(shí)的結(jié)溫變化量，也就確定了合理的試驗(yàn)加速條件范圍。

1.2 試驗(yàn)系統(tǒng)

本文使用的功率循環(huán)試驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示，系統(tǒng)使用工控機(jī)軟件執(zhí)行邏輯控制，直流穩(wěn)壓電源提供被測(cè)器件的功率電流和測(cè)試電流，通過(guò)兩個(gè)獨(dú)立的回路施加到被測(cè)器件。試驗(yàn)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(yàn)夾具熱沉等因素有關(guān)，試驗(yàn)中以滿足器件結(jié)溫變化量的要求為準(zhǔn)，需要估值試湊。測(cè)試電流用于結(jié)溫監(jiān)測(cè)，在該電流下測(cè)試器件內(nèi)部PN結(jié)正向壓降，通過(guò)K系數(shù)計(jì)算結(jié)溫，測(cè)試電流一般取經(jīng)驗(yàn)值20 mA左右為宜,一般該取值下芯片溫升可以忽略不計(jì)，又能提供足夠的壓降值以滿足結(jié)溫的檢測(cè)精度。

圖2 功率循環(huán)試驗(yàn)系統(tǒng)

測(cè)試電流在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中一直施加在被測(cè)器件上，作為結(jié)溫檢測(cè)信號(hào)并監(jiān)視硬件狀態(tài)，功率電路通過(guò)電子開(kāi)關(guān)控制，間歇性施加在被測(cè)器件上，每個(gè)功率循環(huán)周期中開(kāi)啟功率電流的時(shí)序?yàn)門on，關(guān)斷的時(shí)序?yàn)門off，通過(guò)變頻器控制交流異步風(fēng)機(jī)在Toff工作，Ton不工作，使器件快速溫升快速冷卻，提高試驗(yàn)效率。參數(shù)監(jiān)測(cè)主要檢測(cè)器件的壓降，確保器件的電參數(shù)和結(jié)溫滿足預(yù)定試驗(yàn)狀態(tài)，功率電流壓降通過(guò)直流電源直接監(jiān)測(cè)，測(cè)試電流壓降通過(guò)同步采樣模數(shù)數(shù)據(jù)采集芯片監(jiān)測(cè)，最終反饋到工控機(jī)，進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)。

1.3 結(jié)溫測(cè)試中的K系數(shù)標(biāo)定

結(jié)溫是功率循環(huán)試驗(yàn)的核心試驗(yàn)參數(shù)，結(jié)溫測(cè)試依據(jù)電學(xué)法熱阻測(cè)試的相關(guān)原理進(jìn)行，二極管的正向電壓值會(huì)隨著結(jié)溫的變化而變化，并在一定條件范圍內(nèi)有近似線性關(guān)系，該器件正向電壓隨溫度變化的斜率即為K系數(shù)。試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)預(yù)先測(cè)得的K系數(shù)與被測(cè)器件實(shí)時(shí)電參數(shù)計(jì)算結(jié)溫。

使用熱阻測(cè)試儀測(cè)試器件K系數(shù)，測(cè)試時(shí)使用強(qiáng)氣流沖擊系統(tǒng)進(jìn)行環(huán)境溫度控制，測(cè)試電流與功率循環(huán)試驗(yàn)中的測(cè)試電流保持一致，均為20 mA，測(cè)試溫度范圍為（25～110）℃。本文的試驗(yàn)對(duì)象為某國(guó)產(chǎn)新型SiC二極管，取試驗(yàn)樣品三只，測(cè)得該條件下正向電壓與溫度的關(guān)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(jī)機(jī)身內(nèi)外部環(huán)境溫度分布圖

圖3 K系數(shù)測(cè)試結(jié)果曲線

由圖可見(jiàn)在該溫度范圍內(nèi)相關(guān)參數(shù)確為線性關(guān)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(shuō)明產(chǎn)品工藝一致性良好，取樣能夠代表試驗(yàn)樣品K系數(shù)的整體水平。取其平均值作為試驗(yàn)中所用K系數(shù)的值，得到K系數(shù)為-1.60 mV/℃，作為預(yù)置參數(shù)輸入試驗(yàn)系統(tǒng)，標(biāo)定結(jié)溫計(jì)算公式。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 △Tj≥100 ℃的功率循環(huán)試驗(yàn)

首先按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行△Tj≥100 ℃的功率循環(huán)試驗(yàn)，原則上結(jié)溫變化量在滿足△Tj≥100 ℃的前提下以接近為宜，因?yàn)闃悠烽g存在些許差異性，試驗(yàn)中控制的結(jié)溫變化量在（100～110）℃之間。

樣品數(shù)量10只，試驗(yàn)周期為1000 h，每小時(shí)約進(jìn)行15個(gè)循環(huán)，在試驗(yàn)開(kāi)始前及168 h、500 h和1000 h時(shí)間節(jié)點(diǎn)處分別測(cè)試電參數(shù)。功率循環(huán)試驗(yàn)引起的疲勞老化可能會(huì)引起器件正向或反向電特性的變化，結(jié)合器件本身的電特性參數(shù)測(cè)試條件，選取以下4個(gè)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試以觀測(cè)器件的退化：①正向電流為1 mA時(shí)的正向電壓（VF＠1mA）；②正向電流為10 A時(shí)的正向電壓（VF＠10A）；③反向電壓為650 V時(shí)的反向漏電流（IR）；④反向漏電流為50 μA時(shí)的擊穿電壓（VR）。

試驗(yàn)前后的測(cè)試結(jié)果分別如圖4、圖5所示。

圖4 正向電流為10 A時(shí)的正向電壓測(cè)試結(jié)果

圖5 擊穿電壓測(cè)試結(jié)果

全部10只樣品經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的功率循環(huán)試驗(yàn)，未發(fā)生失效。在參數(shù)退化角度，當(dāng)器件發(fā)生老化時(shí)，正向電壓和反向漏電流應(yīng)該升高，而擊穿電壓則可能會(huì)降低。從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，樣品在正向電流為1 mA時(shí)的正向電壓先是略有降低，繼而略微升高，試驗(yàn)初期的反常的趨勢(shì)可能與退火效應(yīng)有關(guān)，或是因?yàn)榇藚?shù)變化幅度較小而被測(cè)試誤差掩蓋，另外擊穿電壓整體上呈略微下降趨勢(shì)，其他兩個(gè)參數(shù)沒(méi)有出現(xiàn)易于觀測(cè)的退化趨勢(shì)。四個(gè)參數(shù)在試驗(yàn)前后（試驗(yàn)開(kāi)始前和1000 h試驗(yàn)結(jié)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(yàn)證了之前所述，當(dāng)前功率循環(huán)試驗(yàn)的條件對(duì)于新型SiC二極管而言相對(duì)比較寬松，作為考核評(píng)價(jià)試驗(yàn)時(shí)，新型高可靠性產(chǎn)品將容易通過(guò)，但無(wú)法達(dá)到暴露器件設(shè)計(jì)缺點(diǎn)的試驗(yàn)?zāi)康模瑢?duì)工藝優(yōu)化難以提供直接幫助。

2.2 步進(jìn)應(yīng)力功率循環(huán)試驗(yàn)

因?yàn)椤鱐j≥100 ℃功率循環(huán)試驗(yàn)引起的該型號(hào)樣品退化程度比較輕微，為研究試驗(yàn)的極限條件，另取4只同型號(hào)樣品，將結(jié)溫變化量從130 ℃開(kāi)始，逐次增加10 ℃，樣品在不同結(jié)溫變化量條件下連續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)，直到有樣品發(fā)生失效為止。每個(gè)結(jié)溫變化量條件下的試驗(yàn)持續(xù)20 h，每小時(shí)約進(jìn)行15個(gè)循環(huán)。

試驗(yàn)前后的測(cè)試結(jié)果分別如圖6、圖7所示，圖中橫軸坐標(biāo)為結(jié)溫變化量，最左側(cè)為試驗(yàn)前的初測(cè)數(shù)據(jù)，為了方便顯示圖6使用了對(duì)數(shù)坐標(biāo)。

圖6 步進(jìn)應(yīng)力時(shí)的VF（IF=10 A）測(cè)試結(jié)果

圖7 步進(jìn)應(yīng)力時(shí)的擊穿電壓測(cè)試結(jié)果

試驗(yàn)進(jìn)行到結(jié)溫變化量230 ℃時(shí)，其中一只樣品出現(xiàn)了失效，試驗(yàn)終止。從測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)看，隨著結(jié)溫變化量的增加，在試驗(yàn)后半段，各項(xiàng)參數(shù)都開(kāi)始出現(xiàn)了更加明顯的退化趨勢(shì)。去除失效的一只樣品的數(shù)據(jù)，僅統(tǒng)計(jì)其余三只樣品的退化，整個(gè)試驗(yàn)前后四項(xiàng)參數(shù)的變化量分別為1.81 %、2.51 %、42.51%和3.87 %。步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)共進(jìn)行了11個(gè)溫度點(diǎn)，總試驗(yàn)時(shí)間共計(jì)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(yàn)，初步證明了通過(guò)提高結(jié)溫變化量來(lái)加速功率循環(huán)試驗(yàn)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(yàn)的趨勢(shì)，但在200 ℃后出現(xiàn)反常的升高趨勢(shì)，可能意味著器件的老化損傷的機(jī)理已經(jīng)開(kāi)始改變，因此，對(duì)于該型SiC二極管器件而言，通過(guò)增加結(jié)溫變化量加速功率循環(huán)試驗(yàn)的合理性范圍大概在190 ℃到200 ℃左右。

2.3 失效樣品分析

對(duì)失效的一只樣品進(jìn)行分析，確認(rèn)失效機(jī)理，尋找產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)的鄰接關(guān)系未見(jiàn)明顯異常。將樣品開(kāi)封并制樣研磨，用顯微鏡觀測(cè)，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(yàn)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(jié)合處

另一方面，基板與相鄰材料間的結(jié)構(gòu)也基本正常，而基板與鍍層的微觀圖中，可見(jiàn)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?yàn)闊釕?yīng)力累積，導(dǎo)致芯片出現(xiàn)了熱應(yīng)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(yàn)的設(shè)計(jì)目標(biāo)不同，因此230℃的結(jié)溫變化量超出了功率試驗(yàn)加速的合理性范圍。

3 結(jié)論

由于第三代半導(dǎo)體新材料、新工藝的發(fā)展，相關(guān)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的二極管功率循環(huán)試驗(yàn)條件變得相對(duì)保守，無(wú)法達(dá)到暴露器件工藝設(shè)計(jì)缺陷的試驗(yàn)?zāi)康摹１疚脑O(shè)計(jì)對(duì)功率循環(huán)的核心試驗(yàn)條件——結(jié)溫變化量進(jìn)行加嚴(yán)，以期加快退化過(guò)程，縮短試驗(yàn)周期。首先開(kāi)展了常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的功率循環(huán)試驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上每次將結(jié)溫變化量增加10 ℃，開(kāi)展步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)過(guò)程中的電參數(shù)測(cè)試結(jié)果變化規(guī)律及失效分析結(jié)果，判斷合理的參數(shù)加嚴(yán)范圍。最終驗(yàn)證了通過(guò)加嚴(yán)結(jié)溫變化量加速功率循環(huán)試驗(yàn)是可行的，并確定本實(shí)驗(yàn)所用產(chǎn)品的合理的加速條件，其上限大致為結(jié)溫變化量（190～200）℃左右，超出這一范圍失效機(jī)理將會(huì)發(fā)生改變，試驗(yàn)同樣難以達(dá)到預(yù)定效果。