功率器件作為電子產(chǎn)品的核心組成部分，通常分為單管和模塊兩種形式。在這些器件投入市場前，都必須進(jìn)行可靠性試驗(yàn)。了解單管與模塊在可靠性試驗(yàn)上的差異性，對(duì)于選擇合適的器件以及確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和長期性能至關(guān)重要。
單管和模塊的結(jié)構(gòu)差異
單管功率器件通常指獨(dú)立封裝的單個(gè)晶體管，如IGBT、MOSFET等，模塊則是由多個(gè)功率器件及其他組件集合而成。這種結(jié)構(gòu)上的差異直接影響了它們的散熱性能、電氣特性和機(jī)械強(qiáng)度。
在封裝結(jié)構(gòu)方面，單管的結(jié)構(gòu)較為簡單，即將芯片焊在一個(gè)平整的銅板上，一般覆蓋塑封料。模塊通常會(huì)增加一個(gè)DBC結(jié)構(gòu)，將芯片焊接在陶瓷基板上的銅層上，使用硅凝膠作保護(hù)材料，其銅板設(shè)計(jì)通常考慮一定的弧度，以減輕由材料熱膨脹系數(shù)差異造成的內(nèi)部應(yīng)力，提升封裝可靠性。各個(gè)材料之間熱膨脹系數(shù)差異是導(dǎo)致封裝內(nèi)應(yīng)力的主要原因之一。
可靠性測試及失效模式
可靠性測試項(xiàng)目參考一般兩個(gè)車規(guī)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，考慮應(yīng)用場景等區(qū)別，單管參考AEC-Q101標(biāo)準(zhǔn)，模塊參考AQG-324標(biāo)準(zhǔn)。可靠性測試項(xiàng)目中包括壽命測試和環(huán)境測試，其中壽命測試有：高溫反向偏置（HTRB）、高溫柵極偏壓（HTGB）、高溫高濕反向偏置（H3TRB）、間歇操作壽命（IOL)、功率循環(huán)測試（PCsec/PCmin）等，環(huán)境測試有溫度循環(huán)（TC）、高壓爐測試（AC）、熱沖擊試驗(yàn)（TST）、震動(dòng)測試（V）、機(jī)械沖擊測試（MS）等。
1.高溫反偏-HTRB
在進(jìn)行HTRB試驗(yàn)時(shí)，單管和模塊的試驗(yàn)條件基本一致，要求在最高結(jié)溫下以80%額定電壓運(yùn)行1000小時(shí)。但現(xiàn)代器件的高電壓和電流使得高溫下的漏電流顯著增加，許多器件在150℃下的漏電流已達(dá)到毫安級(jí)別，此時(shí)如果直接給烘箱加 150℃的設(shè)定，則很難在這樣的高溫環(huán)境中維持恒定的高溫并確保良好散熱。因此散熱問題一直是HTRB實(shí)驗(yàn)的難題之一。
此外，由于單管的封裝更簡單，銅底板更薄，熱阻更大，導(dǎo)致在相同的測試條件下溫度升得更快。相反，模塊可能由于更優(yōu)的熱管理設(shè)計(jì)，在相同的條件下能夠承受更高的溫度。因此，在進(jìn)行HTRB試驗(yàn)時(shí)，考慮到單管和模塊在熱管理和結(jié)構(gòu)上的差異，以及現(xiàn)代器件漏電流的增加，可能需要針對(duì)不同類型的器件調(diào)整測試條件，以確保實(shí)驗(yàn)的有效性和器件的穩(wěn)定性。
典型失效一：電壓擊穿
失效模式：通常表現(xiàn)為芯片正面可見深燒熔洞，側(cè)面可見貫穿芯片的洞。
失效機(jī)理：漏電流持續(xù)上升，與結(jié)溫升高形成正反饋，最終將芯片擊穿。擊穿點(diǎn)一般出現(xiàn)在靠近終端的過渡區(qū)這種芯片的薄弱區(qū)域。整體的失效模式與RBSOA失效模式相似，即從集電極到發(fā)射極出現(xiàn)一個(gè)貫穿的洞。
典型失效二：芯片缺陷/焊接應(yīng)力
由于出現(xiàn)這種失效模式時(shí)，很難分辨是純粹的芯片缺陷還是焊接應(yīng)力導(dǎo)致，所以在此將芯片缺陷跟焊接應(yīng)力結(jié)合說明。
失效模式：失效點(diǎn)產(chǎn)生放射狀裂紋。
單管采用塑封料結(jié)構(gòu)，因此更容易使芯片產(chǎn)生焊接應(yīng)力。HTRB可以有效的篩選出芯片缺陷產(chǎn)生的前期失效，所以產(chǎn)線基本會(huì)增加這項(xiàng)HTRB測試，例如車規(guī)級(jí)模塊在進(jìn)行HTRB測試時(shí)，進(jìn)行至少4-12h的試驗(yàn)后可篩出千分之幾的潛在缺陷芯片。
2.高溫柵偏-HTGB
單管和模塊在高溫柵偏試驗(yàn)時(shí)基本執(zhí)行相同的條件，但需要注意的是，更新的AQG-324標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)試驗(yàn)條件進(jìn)行了嚴(yán)格規(guī)定：要求一半樣品經(jīng)受正壓測試，另一半樣品經(jīng)受負(fù)壓測試，而非此前版本允許先進(jìn)行正壓后進(jìn)行負(fù)壓的測試。
典型失效
失效模式：門極bonding線或是集成門極電阻周圍有燒毀的痕跡。
對(duì)于IGBT芯片，由于其柵極擊穿電壓（BV）一般超過50V，通常遠(yuǎn)高于測試電壓（±20V），幾乎不會(huì)出現(xiàn)失效。但對(duì)于SiC芯片來說，材料的缺陷密度更大，因此該實(shí)驗(yàn)對(duì)其 來說是重點(diǎn)考核項(xiàng)目。目前，SiC器件在出廠試驗(yàn)中基本必做HTGB試驗(yàn)，甚至較好的器件不僅會(huì)進(jìn)行HTGB試驗(yàn)，還會(huì)包括HTRB試驗(yàn)。
3.高溫高濕反偏-H3TRB
模塊在H3TRB試驗(yàn)中通常要求承受更高的反偏電壓，且模塊端子間的電氣間隙及爬電距離通常大于10mm，以增加電氣安全性。相比之下，單管一般進(jìn)行較低電壓的試驗(yàn)，但由于其較小的C/E間距（約5mm左右），更容易發(fā)生電氣打火。因此較大的單管已開始進(jìn)行高壓H3TRB實(shí)驗(yàn)，且模塊參照 AQG-324 標(biāo)準(zhǔn)時(shí)一定要求80% 電壓試驗(yàn)。
典型失效
水汽是導(dǎo)致H3TRB試驗(yàn)中常見的失效原因之一。對(duì)于模塊，硅凝膠雖能在短時(shí)間（幾個(gè)小時(shí)）內(nèi)阻擋水汽，但長時(shí)間曝露后水汽可能穿透至芯片表面。而單管由于使用塑封料，對(duì)水汽有更長時(shí)間的阻隔效果，一般能持續(xù)7至15天。因此，在相同條件下進(jìn)行H3TRB試驗(yàn)時(shí)，單管相較于模塊可能會(huì)展現(xiàn)出更佳的可靠性。
失效現(xiàn)象一：PI （聚酰亞胺）層與終端剝離，在芯片擊穿點(diǎn)下方形成失效點(diǎn)。
失效現(xiàn)象二：鈍化層裂紋導(dǎo)致失效。當(dāng) PI 層下面、鈍化層上有裂紋時(shí)，水汽透過 PI 層直接進(jìn)入鈍化層，最終導(dǎo)致失效。? ?
4.間歇壽命試驗(yàn)-IOL
間歇壽命實(shí)驗(yàn)是評(píng)估單管在反復(fù)加熱和冷卻條件下的可靠性的重要方法，通常指單管風(fēng)冷分鐘級(jí)功率循環(huán)實(shí)驗(yàn)。
在這種測試中，單管的開啟時(shí)間（Ton，即加熱時(shí)間）根據(jù)封裝的大小而變化，一般在 2min~3.5min，封裝越大，Ton越長。且由于單管相對(duì)簡單的封裝結(jié)構(gòu)，其綁定線（bonding wire）被塑封料固定，因此綁定線的失效率相對(duì)較低，失效主要在芯片下的焊料層。熱應(yīng)力和熱循環(huán)也可能導(dǎo)致這些焊料層出現(xiàn)裂紋或斷裂，從而導(dǎo)致器件失效。
5. 功率循環(huán)試驗(yàn)
功率循環(huán)試驗(yàn)通常包括秒級(jí)（PCsec）和分鐘級(jí)（PCmin）兩種，其中秒級(jí)功率循環(huán)是考核模塊鍵合的唯一手段，分鐘級(jí)則主要通過較長的加熱時(shí)間使整個(gè)模塊經(jīng)歷升溫和降溫，考核銅底板與DBC之間的焊料層。AQG-324標(biāo)準(zhǔn)對(duì)該試驗(yàn)沒有明確規(guī)定，一般可參考以下國內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)，即秒級(jí)功率循環(huán)應(yīng)達(dá)到或超過6萬次，而分鐘級(jí)功率循環(huán)應(yīng)達(dá)到或超過≥1.5萬次。
PCsec失效現(xiàn)象一：綁定線疲勞
失效機(jī)理：在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，反復(fù)的熱機(jī)械應(yīng)力的沖擊使IGBT模塊內(nèi)部的綁定線產(chǎn)生疲勞，導(dǎo)致單根綁定線失效，進(jìn)而使其他并聯(lián)綁定線承受更大電流，增加熱機(jī)械應(yīng)力，最終導(dǎo)致連鎖失效。
如下圖所示是秒級(jí)功率循環(huán)失效之后的電鏡圖。從圖中可以觀察到，鍵合斷裂點(diǎn)并非直接位于芯片表面，芯片表面的綁定線仍與芯片本身緊密結(jié)合。這說明調(diào)節(jié)功率僅增加了推拉力，對(duì)于鍵合壽命的效果有限。因此，除了功率調(diào)節(jié)外，還需要考慮鍵合的其他參數(shù)，例如鍵合弧高、鍵合數(shù)量、及鍵合方向等，這些因素綜合起來可以更有效地延長功率循環(huán)的壽命。
PCsec失效現(xiàn)象二：芯片金屬化層重構(gòu)
失效模式：芯片表面鋁金屬層出現(xiàn)退化、晶粒增大、鋁層擠壓等現(xiàn)象。
失效機(jī)理：這種失效一般只會(huì)在高結(jié)溫條件下出現(xiàn)。隨著功率循環(huán)次數(shù)的增加，芯片結(jié)溫過熱，金屬層可能發(fā)生重構(gòu)出現(xiàn)鋁晶粒擠出等現(xiàn)象，導(dǎo)致接觸電阻變大，導(dǎo)通壓降上升，最后導(dǎo)致失效。
另外，金屬化層的重構(gòu)不但會(huì)造成本身層電阻增加而導(dǎo)致同樣導(dǎo)通電流下的VCE上升，還有可能造成有效的芯片元胞和導(dǎo)通面積減少，從而產(chǎn)生局部的熱點(diǎn)或燒熔。
PCsec失效現(xiàn)象三：芯片焊接層退化
失效機(jī)理：由芯片與 DBC 板上銅箔的熱膨脹系數(shù)差異而導(dǎo)致，所以不同的焊料開裂特征有所不同：含鉛焊料一般從芯片的周邊逐步向中心開裂；而含錫、銀材料的焊層由芯片中心出現(xiàn)開裂。
PCmin失效現(xiàn)象：基板焊層開裂
失效模式：焊料層隨循環(huán)次數(shù)增加逐漸開裂，熱阻隨之升高。
失效機(jī)理：PCmin主要對(duì)整個(gè)模塊進(jìn)行加熱，除了對(duì)鍵合與芯片焊接層產(chǎn)生應(yīng)力以外，也會(huì)對(duì)基板焊層產(chǎn)生應(yīng)力，且當(dāng)DBC與銅基板的熱膨脹系數(shù)差異較大時(shí)，二者之間的焊接層可能分離，最終導(dǎo)致基板焊層開裂。
因此使用與DBC熱膨脹系數(shù)更接近的AlSiC基板可以提升模塊的可靠性。
6.溫度循環(huán)/溫度沖擊-TC/TS
為了提高測試的效率和實(shí)用性，當(dāng)前階段的AQG-324標(biāo)準(zhǔn)將溫度循環(huán)（TC）與溫度沖擊（TS）試驗(yàn)整合測試，普遍認(rèn)為具有較高升降溫速率的溫度循環(huán)能夠有效替代溫度沖擊實(shí)驗(yàn)。在此試驗(yàn)中，單管因其簡單的結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出較高的溫度循環(huán)可靠性。
失效現(xiàn)象一：芯片焊接層退化
與PCsec的失效機(jī)理類似，區(qū)別主要在于TC/TS試驗(yàn)中是主動(dòng)加熱器件，PCsec是被動(dòng)加熱；以及PCsec試驗(yàn)花費(fèi)時(shí)間相較于一般需要1000小時(shí)的TC/TS來說更快。
失效現(xiàn)象二：基板焊層開裂
與PCmin的失效機(jī)理類似，區(qū)別同樣在于TC/TS的主動(dòng)加熱與PCmin的被動(dòng)加熱。
失效現(xiàn)象三：DBC開裂
根據(jù)AQG-324 標(biāo)準(zhǔn)要求，TS 試驗(yàn)需要器件加散熱器進(jìn)行，因此模塊中銅板的弧度會(huì)產(chǎn)生安裝應(yīng)力，導(dǎo)致模塊受到額外應(yīng)力；此外，散熱器與銅板的熱膨脹系數(shù)不同，也會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力疊加在 DBC 板上，此時(shí)如果銅板弧度設(shè)計(jì)不當(dāng)，最終也會(huì)導(dǎo)致DBC開裂，進(jìn)而引起絕緣耐壓失效。
值得注意的是，普通材料的裸DBC在進(jìn)行溫度沖擊試驗(yàn)時(shí)，約100次左右之后可能會(huì)出現(xiàn)陶瓷開裂或者銅箔脫離的情況，如下圖所示；但在封裝完芯片之后，整個(gè)DBC的可靠性會(huì)顯著提升，此時(shí)再進(jìn)行100次試驗(yàn)之后則很少出現(xiàn)以上情況。這說明芯片封裝在提高溫度循環(huán)穩(wěn)定性方面起著關(guān)鍵作用。
另外，通過在相同產(chǎn)品平臺(tái)上進(jìn)行大尺寸芯片的可靠性測試覆蓋小尺寸芯片測試，我們發(fā)現(xiàn)：對(duì)于單管來說，芯片表面應(yīng)力來源于芯片與封裝料CTE差異，當(dāng)焊接在銅板上的芯片尺寸越大時(shí)，受到的應(yīng)力越大，此時(shí)同平臺(tái)大尺寸的芯片可以覆蓋小尺寸芯片的TS試驗(yàn)；但對(duì)于模塊來說，DBC銅箔表面應(yīng)力來源于陶瓷材料與銅箔TEC差異，當(dāng)模塊中的芯片尺寸越小時(shí)，DBC銅箔受到的應(yīng)力則會(huì)越大，此時(shí)無法完全參考同平臺(tái)大尺寸的芯片覆蓋小尺寸芯片的TS試驗(yàn)。
總體而言，單管與模塊在可靠性考核方面具有差異性，不僅體現(xiàn)在器件結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)上，還反映在失效現(xiàn)象和失效機(jī)理上。隨著技術(shù)的發(fā)展和對(duì)材料特性的深入理解，這些失效模式的研究正不斷進(jìn)化，推動(dòng)著可靠性評(píng)估方法的創(chuàng)新和變革。? ??
本文由索力德普半導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)室主管屠星宇《功率器件中單管與模塊可靠性考核的差異》主題報(bào)告分享整理，關(guān)注公眾號(hào)，回復(fù)關(guān)鍵詞：20231108，即可查看演講視頻，下載演講資料。
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