[发明专利]电力电子器件的加速寿命测试电路及测试方法

说明书

技术领域

本发明涉及电力电子器件的功率循环寿命测试电路和测试方法。

背景技术

在现代电力电子器件封装所关注的问题中，各种不同材料的连接可靠性是一个主要的问题。由于各种封装材料具有不同的热膨胀系数，器件在应用时因半导体芯片产生的开关损耗和通态损耗而引起的温度波动，或者周围环境温度的改变，均会造成如键合引线脱落、焊接层裂纹等疲劳失效问题。为了测试器件封装的可靠性，业内通常采用热循环试验(被动循环试验)和功率循环试验(主动循环试验)等加速测试方法，其中功率循环可以更加真实地模拟芯片的实际发热机制：试验时通过控制电源的输出，给被测器件施加不同的加热电流，当对被测器件施加电流时，器件瞬间产生大热量，使器件的结温上升，当结温上升到期望值后再断电冷却到一定温度，重复加热和冷却产生温度循环。由于直接加热芯片，因此试验中可快速提升结温，利用高效的散热系统，功率循环试验可进行超快速循环，可实现的循环次数远高于被动热循环的次数。通常，功率循环试验和热循环试验中的寿命终止失效机理是不同的，功率循环试验特别是短时功率循环(循环周期小于10秒)最常见的失效是键合引线断裂或脱落。

现代电力电子器件，特别是大功率电力电子模块(如IGBT模块、MOSFET模块)，为了获得更大的通流能力，通常采用多芯片并联的方式。图1为典型的IGBT模块内部其中一只“开关”的实际电路结构图，从图中可见，IGBT内部的任何一只“开关”均由多只IGBT芯片和二极管芯片并联而成(不同的电流规格，并联的芯片数从几片到十几片不等)，全部芯片的门极通过键合引线连接到同一个外部门极端子G，全部芯片的漏极连接到同一个外部漏极端子D，全部芯片的源极连接到同一个外部源极端子S上。这种多芯片结构中，任何一只芯片上的引线出现失效，均会给整个器件的工作带来严重的影响，因此在进行功率循环试验时，采用的测试电路及测试方法应能够对任何一只芯片出现的失效做出及时的判断。

传统功率循环测试方法如图2所示，通常在被测器件的门极G施加一恒定电压Vg，门极电阻Rg和门极电容C1分别起限流和滤波的作用。通过控制开关K1，使加热电流Ih间断的从被测器件的漏极D流到源极S，从而使被测器件内部芯片结温及电流流通路径上的键合引线的温度升高和降低。由于芯片与芯片表面的键合铝丝二者的热膨胀系数存在差异，结温不断的升高和降低将导致铝线出现疲劳断裂或整体脱落。由于试验过程中需要实时监测芯片结温，因此每次实验前需要测试不同芯片结温条件下对应的导通压降，即所谓的温度敏感系数，描绘出器件的导通压降随温度变化的特性，这样在实际测试时，通过测量导通压降即可间接计算出当时的芯片结温。由于测试电流Im比较小，通常为几个毫安，因此不会引起芯片结温的上升，图2中测试电流Im一直流过被测器件，当开关K1断开仅有测试电流Im流过被测器件时，失效判断电路将采集到的被测器件导通压降换算成芯片结温用于失效判断。

对电力电子器件进行功率循环试验是检测铝线键合可靠性的一项重要的手段，然而传统功率循环测试方法存在两个不足：

一是测试过程中，门极电压Vg一直加在门极G和源极S两端，因此被测器件一直处于完全导通状态，导通压降较小。为了使被测器件的芯片结温在开关K1闭合过程这一短暂时间内(通常在10秒以内)上升到一较高的温度，所需的加热电流Ih将很大，因此基于传统方法制造的功率循环测试设备不得不配置一台能够输出较大电流的加热电源，然而对于测试一些大功率的电力电子器件，需要的加热电流往往要达数千安培，为了获得如此大的输出电流不得不将数十台电源并联使用，设备制造成本非常高。

二是传统方法无法准确检测门极引线出现断裂或脱落的时间。这是因为传统功率循环测试方法中，门极一直施加恒定电压，即使全部芯片上的门极引线均出现断裂或脱落，但由于门极漏电流非常小(通常为几百纳安)，门极电荷仅依靠漏电流释放，门极电压需要经历很长的时间才能下降到开启阈值电压以下，此时被测器件才能完全关断，只有被测器件完全关断后，失效判断电路检测到一突变电压，方能做出门极引线故障判断。可见，从门极引线出现断裂或脱落到失效判断电路做出故障判断，存在较大的时间误差，即传统功率循环测试方法在门极引线故障判断上存在缺陷。

发明内容

本发明的目的是克服现有试验方法所需加热电源电流大，以及在门极引线故障判断存在时间误差的缺点，提出一种电力电子器件的加速寿命测试电路及其测试方法。

本发明采用的技术方案如下：