功率循环控制策略对功率半导体器件失效模式和寿命的影响

《Microelectronics Reliability》：Effect of power cycling control strategies on failure modes and lifetime for power semiconductor devices

　　

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  在电流变化的情况下进行监测，会将明显的失效标准从 V_CE 改为 R_th，适用于电压 P 和温差 ΔT_j 保持不变的策略。
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  电流变化监测会掩盖键合线的疲劳现象，并可能高估 PCT（功率循环测试）寿命高达 18%。
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  采用恒定电流校准可以纠正这一误判，从而确定 V_CE 为真正的失效标准。
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  控制策略仅影响损伤累积速率，而不影响失效机制。

引言

功率半导体器件是电力电子转换器的核心组成部分，在电网、轨道交通和电动汽车等领域得到广泛应用[1]，对国民经济发展和人们日常生活至关重要。功率半导体器件的可靠性直接决定了电力转换器乃至整个电子系统的安全稳定运行[2]。因此，可靠性评估和寿命预测具有极其重要的意义。功率循环测试（PCT）是评估功率半导体器件长期运行可靠性的关键测试之一，是建立寿命模型和进行寿命评估的基础[3]、[4]、[5]、[6]。PCT 的寿命结果通常会外推到实际运行条件以进行寿命预测。这种外推的一个基本前提是，在加速老化条件下的失效模式和机制与实际运行条件下的失效模式和机制一致[7]、[8]。因此，除了寿命值本身外，还必须考虑测试条件和策略，因为它们直接影响评估结果，甚至可能改变失效模式，从而影响外推的有效性。

表 I 列出了与 PCT 相关的参数。初始测试条件以及这些参数的调节逻辑决定了施加的热应力水平，从而影响测试结果[9]、[10]。PCT 控制策略则决定了测试设备如何响应器件封装老化引起的物理量变化，从而控制整个测试过程中与热应力相关的参数调节。

JESD 标准规定了四种主要的 PCT 控制策略：

1)

恒定的 t_on、t_off 和 I_{L。这种策略不对器件老化过程中结温、饱和电压或热阻的增加进行补偿，代表了最严苛的测试条件。}

2)

恒定的温差 ΔT_c。这种策略最初是在功率循环测试早期引入的，用于通过动态调节 t_on 和 t_off 来补偿冷却剂温度或压力的变化，当时多个测试台连接到同一个冷却电路。然而，由于现代设备通常配备了独立的冷却系统，能够提供稳定的热控制，这种策略现已被认为过时[11]。因此，本研究重点关注其他三种控制策略。

3)

恒定电压 P。这种策略通过调节 I_{L 或 VGE 来补偿老化过程中功率耗散的增加。老化导致的功率增加有两个原因：键合线疲劳（包括根部裂纹和脱粘）会提高 VCE 从而增加功率；而焊料层退化则会提高结温，同样导致功率耗散增加。}

4)

恒定的温差 ΔT_j。这种策略通过调节 I_{L、VGE 或 ton 来补偿温差 ΔTj 的变化。主要原因在于焊料层的退化，它阻碍了热量的散发。}

U. Scheuermann 和 S. Schuler 在 2010 年首次研究了控制策略对 PCT 寿命的影响[12]，他们发现即使在相同的初始条件下，不同策略下的寿命也有三倍差异。然而，该研究每种策略仅使用了一个器件，这可能会限制研究结果的统计显著性。此外，结温是通过红外热成像技术测量的，而不是标准推荐的 V_CE(T) 方法，这可能会使与后续研究的直接比较变得复杂。另外，所采用的失效标准也不是典型的 V_CE 增加 5% 或 R_th 增加 20%，而是一种电源限制条件，最终会导致键合线熔化或金属化。这些失效模式与常见的键合线疲劳和焊料层退化不同[13]。Mentor Graphics 在 2014 年的类似研究[14]中发现了一种失效模式，这种模式与开尔文发射极键合线有关。这条感应线连接在芯片中心附近——温度较高的区域——其分层导致 V_GE 参考信号丢失，而主要的电源键合和焊料层基本保持完好。由于同一根线也用于 V_CE 监测，因此观察到的参数漂移主要反映了这种感应接触的退化，而非电源键合的退化。这种依赖于布局的失效模式可能不能代表典型的封装退化情况。最近，G. Zeng 等人[15] 对各种控制策略及其内部调节参数进行了系统研究。在他们的研究中，所有器件都达到了与焊料层退化相关的 120% R_th 失效标准。虽然键合线疲劳在实际情况中也是常见的失效模式之一，但他们的研究并未明确探讨这一方面。

为了解决现有研究在统计显著性、测量标准化和典型失效模式覆盖范围方面的局限性，本研究重点探讨了不同控制策略对器件失效模式和 PCT 寿命的影响。选择了商用三相 IGBT 模块（Infineon FS25R12W1T4，采用 S3 芯片，其中键合线脱粘是主要失效模式）作为测试器件（DUT）。在相同的初始条件下，对每种控制策略进行了三次并行 PCT 测试，每种策略使用六个 DUT 以确保统计有效性[16]，符合相关测试标准的样本量要求[17]。在 PCT 过程中，实时监测多个电热参数，并采用传统的失效标准——105% V_CE 和/或 120% R_th。在此基础上，量化了不同控制策略下的 PCT 寿命差异。测试后进行失效分析，以研究控制策略对失效模式和微观结构演变的影响。本研究旨在揭示不同控制策略如何影响失效模式和 PCT 寿命，为相关研究提供实验参考和数据支持，并对器件退化机制提供理论见解。研究结果还有助于正确利用 PCT 结果进行寿命评估。

章节摘录

选定的测试器件

选用的测试器件是 Infineon 生产的 25 A / 1200 V IGBT 功率模块 FS25R12W1T4，采用 S3 芯片。其内部结构和横截面图如图 1 所示。相应的直接键合铜（DBC）基板具有较大的铜面积，能够在短脉冲期间有效地从芯片和焊料层中提取热量。因此，热应力主要集中在键合线上。结果，电气参数 V_CE 往往会达到失效阈值

R_thjs 和 V_CE 曲线的演变

图 4 展示了不同测试组在 PCT 过程中的 R_thjs 和 V_CE 趋势。

在恒定的 t_on、t_{off 和 IL 策略下，所有 DUT 都达到了 105% VCE 的失效标准，而 Rthjs 保持在 120% 的阈值以下。对于 VCE 曲线，在初始阶段（约 80,000 次循环内），所有 DUT 都表现出线性且逐渐增加的趋势。这种现象一方面可以归因于芯片表面的金属化重构}

失效分析

根据上述测试结果，V_CE 和 R_thjs 的退化曲线以及最终的 PCT 寿命在三种控制策略下有所不同。为了进一步研究潜在的物理损伤机制是否一致，并揭示每种策略对失效模式和微观结构演变的影响，我们对所有三个测试组的失效样品进行了失效分析。分析包括扫描声学显微镜（SAM）和扫描电子显微镜（SEM）。

结论

在本研究中，通过实时监测电热参数和测试后的失效分析，定量评估了三种控制策略对 PCT 寿命的影响。主要研究结果如下：

1)

在相同的初始条件下，Weibull 平均寿命排序如下：恒定的 t_on、t_off 和 I_L < 恒定的 P < 恒定的温差 ΔT_j。这种排序反映了每种策略抑制老化正反馈的程度。

控制策略和老化选择的影响

CRediT 作者贡献声明

潘茂阳：概念设计、方法论、软件开发、初稿撰写。魏阳光：验证、调查。邓二平：资源协调、撰稿及编辑、资金争取。严旭星：数据分析。孙洪宇：数据整理。刘浩：数据可视化。黄永昌：项目监督。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

潘茂阳|魏阳光|邓二平|严旭星|孙洪宇|刘浩|黄永昌