一、功率循環(huán)的基本原理

功率循環(huán)測(cè)試（Power Cycling, PC）是評(píng)估功率器件長(zhǎng)期可靠性的重要方法。測(cè)試通過(guò)周期性地通斷電流，使芯片自身反復(fù)產(chǎn)生熱應(yīng)力，以此模擬實(shí)際工作中的溫度波動(dòng)與熱疲勞累積。

這種周期性“升溫–降溫”過(guò)程會(huì)在不同材料界面之間產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力。而封裝結(jié)構(gòu)中包含銅、鋁、焊料、硅等熱膨脹系數(shù)不同的材料，它們?cè)诜磸?fù)熱循環(huán)中會(huì)出現(xiàn)應(yīng)變不匹配，最終導(dǎo)致疲勞損傷。

二、功率循環(huán)的測(cè)試分類(lèi)（AQG324）

依據(jù)測(cè)試時(shí)間常數(shù)和功率加載方式，功率循環(huán)測(cè)試通常分為兩類(lèi)，反映了功率器件從芯片互連到模塊整體不同層級(jí)的熱疲勞行為，具體如下：

三、典型失效機(jī)制

功率循環(huán)下的常見(jiàn)失效模式包括：

鍵合線斷裂或脫落：反復(fù)的熱脹冷縮導(dǎo)致鋁線與芯片表面之間的焊點(diǎn)剝離。在大電流功率模塊中，一般會(huì)使用多根綁定線并聯(lián)來(lái)分擔(dān)電流，單根綁定線的失效會(huì)造成其他并聯(lián)的綁定線承受更大的電流。根據(jù)P=I2*R，其他綁定線上的損耗也會(huì)隨之增加，導(dǎo)致更大的熱機(jī)械應(yīng)力從而隨之失效。綁定線疲勞的另一個(gè)后果是隨著接觸電阻和損耗的增加而導(dǎo)致IGBT或二極管芯片過(guò)熱失效。

焊料層疲勞開(kāi)裂：芯片與DCB、DCB與底板之間的焊層在溫度應(yīng)力下逐漸形成裂紋；

四、失效標(biāo)準(zhǔn)

通常，功率循環(huán)壽命定義為器件在達(dá)到下列任一判定條件時(shí)的循環(huán)次數(shù)：

熱阻上升超過(guò)初始值的20%；

導(dǎo)通壓降超過(guò)初始值的5%；

一般來(lái)說(shuō)，Vce反映的是鍵合線失效，Rthjc反映的是芯片與底板之間粘結(jié)層的失效。

下圖是賽米控某款I(lǐng)GBT模塊的功率循環(huán)測(cè)試結(jié)果。

五、小結(jié)

功率循環(huán)測(cè)試通過(guò)加速熱疲勞機(jī)制，揭示了功率器件的結(jié)構(gòu)瓶頸。它是模塊設(shè)計(jì)優(yōu)化、材料選型和可靠性評(píng)估的基礎(chǔ)。

審核編輯 黃宇