功率循环的实验设计 （一）
功率循环的实验设计 （一）
功率循环实验过程中，测量局部某个点的温度和结温差的变化无法精确体现器件的整体降级过程，因此，结构函数的测量不可或缺。
图一 功率循环实验——老化分析
上图是Die Attach的老化实验，并在老化过程中，不断的去测量器件的结构函数，我们在结构函数的坐标系中对比同一个热容值下的热阻值的变化。结构函数是散热路径的一维表征，从上图类似扇面的结构函数多曲线图（变量是循环次数），可以分析散热路径每一部分材料的降级过程。左图最下面一条蓝色的横线代表了Die Attach 附件的材料，在右图中，可以看到这部分材料的热阻值在20000次循环以后，热阻开始迅速上升，至80000次以后又趋向稳定。粉色线条代表散热面的焊接层，这部分的材料热阻值略有变化，而绿色的虚线取在热容迅速增长处，可以理解这部分是冷水机环境，实验的结果表明这部分材料的热阻值无明显变化。
想做出上图的扇面效果，其实是不太容易的。做出这样效果的前提是必须保证结构函数的变化，完全是由于器件降级导致的，这就需要对功率循环实验做我们常说的实验设计，而实验设计目前还没有成熟的理论模型，基本上依赖于工程师的经验。尽管很多用户的实验室，具备Mentor PWT设备的实验条件，而由于多种因素，用户使用该设备大部分还在用双界面法做工程上应用比较难的Rthjc的测试，而功率循环的结果评价，还是通过Rthjc的变化值来作为评价指标。由于Rthjc的实际物理意义很难确定，这就给功率循环实验带来了一定的误差和风险（参考文章，Rthjc 结壳热阻测试及案例分析）。
为了提升实验的精确性和高效性，我们需要把功率循环和基于JESD 51-14的结构函数测试高度集成，在整个功率循环实验过程中，绝对不能移动被测样品。设备可以在功率循环和结构函数测试之间自动切换，并在实际的功率循环过程中，通过结构函数的测试来实时监控器件的降级过程，从而不断调整结构函数的测试周期，以获得更精确的寿命老化数据。
AQG 324 标准里也有一些关于功率循环的实验设计，比如加热时间分为秒级和分钟级，加热电流大于85%的额定电流，规定了门极电压为15V，也要求环境温度是常温。因为DieAttach的时间常数大概是几十ms，加热时间大于1s，我们可以认为Die Attach已经被加热充分了，功率循环过程中，Dieattach的温度一定是周期性变化的，我们可以理解秒级循环主要的作用点在Bond wire和Die Attach，但在和行业诸多大咖的交流过程中，大家的经验是，秒级循环过程的绝大部分故障发生在Bond wire ，而很少发现秒级循环对Die Attach产生实质性的破坏。而分钟级循环会作用在整个器件，只是由于单个周期较长，导致整个功率循环实验的时间也很长，而且评价的指标是Vce的漂移值，对于实际的故障模式无法准确定位。
图二 三种失效模式
我们尝试对某个IGBT做实验设计，当我们的功率循环目标是Bondwire时，我们可以采用较大的电流，较低的电压，保证一定的温度梯度。这样的实验设计，可以认为，Bond wire承受的周期载荷是主要的，而Die attach部位，由于电压很低，承受的压力较小，实际的降级也不明显。测试回路可以分别用CH1和CH2来检测，CH1作用于有Bond wire的回路上，CH2作用仅仅作用在IGBT上（通过下图可以看出，这个值变化较小，可以认为这种实验条件对于Die Attach的冲击确实是较小的），通过组合测量，我们可以很容易得到由于Bond wire的断裂带来的压降的跃升，如下图所示：
图四 Bond wire 循环实验
AQG 324秒级循环的判据，是对应的电压变化值是5%，主要就是因为Bond wire断裂造成的，而这样的实验设计，可以精确定位到Bond wire 的断裂引起的电压变化，通过实践验证，获得可以满足应用的增长值，比如6%，或者7%等等，我无法确定5%这个值错杀了多少有效的器件，但我可以肯定，因为我们可以精确测量引线断裂带来的影响，实际的失效值一定是大于5%的。
当然这种实验设计的条件，是针对某一种特定的器件，或许不同的样品，其最终的测试值也会存在差异。而样品本身由于生产工艺及制造过程中的因素，导致同一种器件本身难免存在质量波动，这其实就更需要精确的测量方法，结合大量的有效的测试数据，去定位产品自身的质量和可靠性的问题。
下一篇我们继续讨论其他的可靠性问题，未完待续。
