瞬态热测试实验设计要点解读（三） ——功率循环实验的参数与环境设计
功率、热循环实验是IGBT模块寿命评估的主要依据。功率循环（PC）实验就是让芯片在on和off之间不断切换，从而产生间隙发热功率，芯片的温度因此而周期性变化。因为热源为芯片自身，行业也叫做主动功率循环。
功率循环实验的主要设备也叫功率循环设备，随着技术的不断发展，行业对功率循环设备的要求主要有以下几点：1
1、瞬态热测试
符合JEDEC 51-1、JEDEC 51-14热测试规范（静态法）
可测试各类功率器件（IGBT、Diode、MOSFET），获得热瞬态响应曲线
对器件结温测量达到0.01°C的超高精度
最大1MHz的多段变速数据采集
2、功率循环测试
有机整合温度循环测试与瞬态热测试，在温度循环的同时对结构变化进行实时监测，支持在温度循环过程中持续试验而不用取出样品做热参数检测
可以同时实施多种不同的电流策略，即多种循环模式
为了能监控器件在测试过程中的降级过程，功率循环设备必须支持瞬态热测试功能。而因为当设备对器件做功率循环时，设备自身也在做功率循环，所以在设备运行时，需严格限制设备核心部件的实时温度，以获得设备自身的高可靠性，耐久性，也保证了测试数据的准确性。
IGBT模块内部有多种材料，其中Bond wire，Die Attach及DBC等材料的热膨胀系数是不一致的，在功率循环过程中，层与层之间会产生交变的剪切力而导致材料疲劳，从而导致器件本身性能降级。损伤的结果主要是Bond wire脱落，断裂，Die Attach老化和焊接层老化。而IEC60747-9规定了IGBT参数的失效阈值，对于功率循环，器件的导通压降增幅大于5%，或者器件的热阻增幅大于20%，即判定为失效。
不同的检测目的，功率循环的实验设计也是不一样的。
Bond wire的故障的主要原因是引线过热，大电流通过引线，导致引线的温度剧烈变化，测试参数及设计如下图：
两个测试回路可以清晰的看到，CH2上的电压没有太大的变化，而CH1上的电压发生了跃迁，从测试回路上分析，可以认为是引线总体的等效电阻增大了，也就是引线部分发生了质量问题，当这个值超过5%，即为失效。
Die Attach的失效检测方案，在参数设计上要保证主要温度变化发生在Die上面，提高电压，同时降低电流。
下图是Die Attach循环实验案例，总循环次数是105000次，通过结构函数分析，整个实验过程中，其他的材料降级并不明显，Die Attach材料在20000之前也没有太大的变化，而25000次以后，Die Attach材料的降级速度加快，器件很快就失效了。整个实验过程中，实验样品没有离开过循环工位，老化，瞬态热测试一次完成，系统实时监控器件的降级过程，一方面减小了不必要的误差来源，同时也可以得到准确的器件失效参数。
而焊接层的老化原因主要是环境温度的变化引起的，实验设计中要降低功率循环对引线和Die Attach的影响。
通过改变环境温度的功率循环结果数据，通过结构函数分析，可以清楚的看到，在Die Attach以前的热阻变化并不明显，而对应焊接层材料的热阻有比较大的变化。
在IGBT的实际应用中，这些故障大部分都是同时发生的，器件发生故障时，都会导致Vce上升，通过监控Vce是无法确定故障发生的具体 位置和相应权重。而如果使用结构函数的对系统降级过程及结果做分析，不仅可以正确判断故障模式，即使是很小的故障也不会错过，同时结合模型校准，可以通过仿真得到故障发生时，器件内部的热流分布。
也就是说，我们不仅能得到准确的测试结果，还能分析这些测试结果背后的物理意义，当我们回到设计中时，这些赋予物理意义的测试结果可以帮我们定位设计的问题，并依此形成高针对性的新设计方案。
虽然功率循环实验已经被业界广泛使用，而在业界大部分的实验设计中，对环境温度的监控并没有得到足够的重视。
由于功率循环中，器件的实时功率都比较大，需要控制环境温度设备提供比较大的散热功率，厂务水散热因此也被广泛应用。厂务水的温度相对恒定，通常是17-22°C之间，但这个温度不精确。假定我们做一个ΔT为100°C的功率循环实验，而17-117°C及22-122°C这两种实验的数据结果，其包含的物理意义肯定是不一样的。如果不使用厂务水而使用温控设备，其一，能控制高精度的温度同时也要保证散热能力的液冷设备也比较昂贵，其二，这种设备的温度监控点通常是设备中液体的温度，液体通过导管流入到冷板，再从冷板流回设备控温，冷板的实际温度和设备中液体的温度也存在温度差，这些都有可能导致最后实验的数据不准确，不可重复，不可信。为了减小这个误差，通常我们需要通过实验设计对环境温度做精准控制。
主要的控制环境温度的办法有几种：
通过温度传感器去监控各个重要位置的温度，比如进出水口，冷板边缘，冷板中心，器件的正下方等等；
用高精度控温设备去控制，并考虑回路能量损失做适当补偿；
用TEC作为冷板，精准控制环境温度；
通过定制夹具，保证环境温度的稳定性；
多种方法的结合。
目前并没有一个明确的标准，具体实验设计要根据实际情况，结合工程师的经验，确定最终的可行方案。
电子器件的封装老化遵循浴盆曲线，功率循环实验不仅可以应用在IGBT、二极管、Mos等器件上，也可以应用大功率的LED或者激光的芯片的产品筛选和寿命评估上。对于LED芯片，先要通过老化，让产品迅速通过早期失效期，从而筛选出质量合格的产品。
业界对于发光半导体的功率循环大部分还是被动循环，通过高低温冲击看器件的降级和稳定性，因为无法实时监控结温，现在的老化测试主要目的还是作为检测标准。而如果结合这种主动的功率循环，不仅可以发现问题，还能帮助分析问题的原因，从而从研发端去解决这些问题，从而不断积累技术和模型，提供 产品的整体性能。
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