轿车功率电子（例如IGBT）有必要规划为可到达数千小时的作业时刻和上百万次功率循环，承受高达 200 °C 的温度。可靠性特别要害，而毛病本钱或许是很大的问题。跟着工业电子体系对能量需求的添加，轿车功率电子设备和元器材供货商面临着供给轿车OEM厂商所需的高可靠性体系的应战。
跟着能量载荷压力的不断添加，功率电子设备立异带来了一些新的技能，例如运用能够增强热传递系数的直接键合铜基板、改进的互连技能（粗封装键合线、带式键合等）和无焊料芯片粘接技能，来增强模块的循环功用。这些新的基板有助于下降温度，载带可载荷更大的电流，而且无焊料芯片粘接可所以烧结的银，具有特别低的热阻。一切这些事实上都有助于改进器材中的热途径。可是，这些体系上的热应力和热机应力仍然会构成相关的功率循环和散热毛病。这些应力或许会导致许多问题，如封装键合线降级、芯片粘接疲惫、叠层分层以及芯片或基板决裂。
结点中发出的热量是或许影响 IGBT 芯片中所用的芯片粘接资料可靠性的主要要素之一。功率循环测验是模仿模块寿数期的抱负挑选，由于与 IGBT 模块对应的开关循环次数可依据方针运用猜测。
本文描绘功率循环测验和瞬态热测验的组合试验，在此试验中咱们使器材饱尝功率循环，然后产生毛病，然后在不同的稳态之间履行瞬态热测验，以此承认 IGBT 小样品的毛病原因。这些类型的测验为正确地从头规划模块的物理结构供给支撑，假如需求，它还可充任热机应力仿真的输入。
咱们的方针是运用可仿制的流程研讨当时 IGBT 模块中呈现的常见毛病形式。可是，这些测验的数量并未高到足以猜测寿数期，咱们仅仅经过这些测验来查看 IGBT 芯片中的降级流程。咱们首要对样品进行瞬态热测验。试验丈量成果显现，器材在不同稳态之间的热瞬态为 180 秒。在器材上运用 10 A 的驱动电流到达热稳态，当咱们开端收集数据时它转换成 100 mA 的传感器电流。
图 1 显现了描绘样品开端的“健康”情况的热瞬态函数。运用此曲线和相应的结构函数作为封装的具体数值表明的校准根底。结构函数是一维纵向暖流的直接模型。在许多常用的三维几许形状中，结构函数是“实质”一维暖流的直接模型，例如圆盘中的径向分散（极坐标系中的一维流）、球面分散、锥形分散等。这样，结构函数可用于大致地辨认几许形状/资料参数。结构函数可经过加热曲线或冷却曲线的直接数学改换取得。这些曲线可从丈量成果或仿真热途径的具体结构模型中取得。
图 1：研讨 IGBT 的瞬态热呼应。
创立热仿真模型
咱们随后会构建并验证模块的具体三维模型，以便剖析结构内部的温度散布。在一切器材产生毛病并拆解模块之后，再丈量几许参数。图 2 中显现了模型布局（图 3 中显现的是叠层结构）。
这样，咱们能够确仿真模型的行为方法与实践器材彻底相同，然后咱们进行资料参数调理，直到从仿真瞬态成果取得的结构函数与源自经历的结构函数相拟合。这个流程需求进行屡次迭代。
图 2：仿真模型的布局。
图 3：IGBT 模块的叠层结构。
依据测得的几许形状以及对资料参数的最佳猜测创立的基线模型显现，热瞬态行为与实践器材存在显着差异。此类误差可经过校准模型并接连地完善模型数据予以消除。咱们经过拟合从模型的热瞬态仿真取得的结构函数（图 4 中的赤色曲线）与实践器材的丈量成果生成的结构函数（蓝色曲线）完成这一意图。
图 4：基线模型的仿真成果。
接下来，咱们开端经过拟合封装的内部功用来校准器材。然后，咱们沿暖流途径方向从封装向外，接连地拟合不同区域的热容和热阻值。为了正确地调理芯片电容，咱们要保证芯片的物理尺度正确无误，并正确地设置热源。在这种情况下，咱们需求添加受热面积，直到芯片区域的电容值在结构函数中相互堆叠。
然后，咱们需求保证将陶瓷层的热阻设置为恰当的水平。跟着陶瓷热导率的升高，结构函数中对应的热阻部分或许会下降以产生新拟合部分。在此之后，咱们将器材与冷板之间的铜皮和热学界面资料 (TIM) 设置为恰当的热导率以正确地匹配曲线（图 5）。
图 5：模型校准之后的仿真（蓝色）和丈量（赤色）瞬态的结构函数。
在功率测验仪中运转器材
只需记载了 IGBT 热结构的初始情况，器材就能够承受可靠性测验以评价其长时刻行为。咱们将所选的 IGBT 模块固定到带有导热垫的水冷式冷板上。与大部分导热膏和导热硅脂比较，导热垫的导热性较差，可是它在早前的试验中显现出了极佳的热稳定性，因而不会影响测得的成果。冷板温度设置为 25 °C。
测验中的模块包括两个半桥模块，即四个 IGBT。将器材的门级衔接到漏极，一起半桥模块运用独自的驱动电路供电（见图 6）。一切 IGBT 衔接到瞬态热测验仪设备的独立通道。
图 6：用于功率循环和瞬态热丈量的 IGBT 电气衔接。
咱们决定在测验中对器材运用 100 °C 的变温以加快功率循环流程。挑选此值是为了保证最高结温为 125 °C，这是器材答应的最高温度。咱们将运用于模块的功率最大化以缩短循环时刻，并挑选恰当的机遇到达 100 °C 的方针变温。IGBT 模块可处理高达 80 A 的电流，可是由于器材的压降很高，额定功率就变成了约束要素。依据从前的试验丈量，可挑选 25 A 的加热电流。
咱们需求运用 200 W 的功率加热 3 秒使芯片预热到 125 °C。设置的冷却时刻应可保证芯片有满足的时刻冷却下来，且平均温度在测验过程中不会产生改变。图 7 显现了时序图和温度散布图。
图 7：功率循环期间的加热功率和结温切换图。
不管产生压降改变仍是热阻升高，运用的加热电流和测定时刻在整个测验流程中均坚持稳定。记载每个循环中的器材冷却瞬态，这样就能够接连地监测结温改变。每经过 200 个循环，运用 10A 加热电流履行一次全长瞬态丈量，以查看暖流途径的结构完整性。
门级氧化层损坏而非封装键合线缺点引发的毛病
在咱们的试验中，咱们会持续功率循环，直到器材彻底无法作业（短路或断路）。这便是咱们的毛病规范。在被测的四个 IGBT 器材中，有一个器材（样品 3）产生毛病显着地早于其他器材，只经过 10,158 个功率循环（图 8）。这种过早产生毛病的原因或许是在冷板中装置不妥或其他随机过错。其他三个器材，即样品 0、1 和 2 显现出类似的行为，分别在经过 40，660、41，476 和 43，489 个循环后产生毛病。
图 8：器材产生毛病之前运用的功率循环数量。
在一切 IGBT 都产生毛病之后，咱们会拆解模块并查看芯片和封装键合线的情况。图 9 是其间一个芯片的相片，显现在测验期间有多条封装键合线开裂，芯片外表有一个区域产生炙烤，这或许是运用高电流时线路脱开构成的电弧构成的。
图 9：开裂封装键合线和炙烤芯片外表的相片。
虽然封装键合线呈现显着的缺点，可是中止的封装键合线并未构成器材毛病。一切芯片的毛病都是过热和门级氧化层损坏导致的。这些效应随后经过电气测验进行查看和盯梢：封装键合线决裂可经过 VCE（集电极-发射极）电压升高指示，门级氧化层损坏可构成 IG（门级漏电）升高。规划 IGBT 功率循环设备时，应当丈量这些参数。
此外，还需求查询基板和底板之间的结点以及芯片粘接，以便了解过热来历，这是咱们需求校准仿真模型的原因。图 10 显现了运用校准后的具体模型仿真加热期结束时，两个相邻 IGBT 的温度散布。相邻芯片之间的热耦合能够忽略不计；因而，能够独自地查询每个芯片。
图 10：3 秒钟之后一个半桥模块的仿真温度散布。
由于加热时刻短，基板-底板衔接的最大温升为 71 °C，可是芯片粘接温度升高超越 100 °C。这种成果表明，结构中最易受损的当地是芯片粘接资料。
定时丈量的热瞬态值答应咱们依据运用的不同功率循环次数生成结构函数。图 11 显现产生的功率循环对每 5,000 个循环对应的结构函数的影响。在第一个%&&&&&%阶跃之后，平整区域对应于芯片粘接资料。结构在 17,000 个循环之前坚持稳定；可是，在此之后，芯片粘接资料显着产生降级，而且其阻抗接连升高直至器材产生毛病。
图 11：样品 0 对应于不一起间点的操控丈量成果的结构函数。
如图 12 中所示，读取的芯片粘接层热阻除以体系的初始结-环境阻抗，并绘制为功率循环的函数。此核算可承认该层在 15,000 个循环之后敏捷开端降级。热途径的改变极端明显，由于芯片粘接资料产生了极大的改变，在后一个结构元件中无法查询。可是，后一部分中的降级也可合理猜测，只不过它们与芯片粘接资料的问题比较可忽略不计。
图 12：初始情况下的芯片粘接层热阻与结-环境热阻比照。
大约 20,000 个循环后，芯片粘接层的降级影响变得很显着，在大约 10,000 个循环内，样品的结-环境总热阻由于循环而倍增。在 30,000 个循环后，咱们无法承认芯片粘接层的热阻，由于热分散途径产生了改变。
