SiC MOSFET學習筆記5：車規級功率半導體模塊可靠性標準

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2023-02-16 08:08:09 952

功率半導體的車規可靠性標準比較多，主要有美國汽車電子委員會的AEC標準（主要是針對晶圓）和歐洲電力電子中心的AQG324（針對模塊）。今天主要復習AQG324這個標準。

先討論一個工程邏輯：任何一個新產品，在設計之初就應該考慮其使用的可靠性，設計有缺陷，后期工藝上是很難彌補的，因此，當可靠性測試出現問題時，首先要考慮設計（產品設計，工藝設計）上的問題。因此，可靠性測試實際上也是對產品設計的一個檢驗。

電動汽車的功率半導體，特別是SiC MOSFET或者Si IGBT模塊，因為是用在動力心臟---電驅動上；主驅的工況較為惡劣，一旦出問題就會導致整車失去動力，因此其可靠性測試項目要相比其他汽車電子嚴格。

歐洲電力電子中心這套標準嚴格說不算標準；它只是提及到了實驗方法，且只是部分測試項點給了通過判定條件；還有一些測試項點并沒有給出嚴格的判斷標準；所以一般國內功率器件廠商相對更多引用行業內的標準，或者有的大型車企自己也會定一個相對更嚴格的判定條件。

那么一般會測哪些內容呢？三大類QC/QE/QL。

QC（Qualificationof Characterization）是特性表征測試；包含模塊產品自身的寄生電感（雜散電感）；熱阻；短路能力；絕緣能力；還有一些機械參數；

所有的QC項目都是非破壞性的，也就是說；實驗后的樣品，沒有問題的話是可以繼續使用的。

QE（Qualificationof Environment）指環境實驗項目；包含三項：溫度沖擊實驗，機械振動實驗和機械沖擊實驗。QE類實驗全是破壞性的；也就是說，模塊做完測試驗證合格后，也無法再進行使用了，只能封存或者報廢。

QL（Qualification of Lifetime）是壽命實驗項目，有時候也叫耐久實驗；目的是檢驗模塊的工作壽命是否滿足要求；包含7項：

PCsec秒級功率循環；PCmin分鐘級功率循環；HTSL高溫存儲；LTSL低溫存儲；HTRB高溫反偏；HTGB高溫柵偏；H3TRB高溫高濕柵偏。

其中特別值得關注的是秒級功率循環PCsec；其測試原理是：給芯片通規定的大電流，讓芯片發熱，在5s內讓芯片依靠自身工作發的熱，將芯片強行加熱到其最大工作溫度，然后瞬間斷電，同時冷卻水不斷對模塊進行強制冷卻，直到冷卻到溫度差為100℃；然后再繼續給芯片通電，讓其給自身強制加熱；再強制冷卻。。。如此反復；至少做XXXXX次。。。

分鐘級功率循環原理一樣；不過把導通時間規定變得更長了。

這個項目本身考驗很多點；其中對芯片的頂部金屬化層和發射極鍵合線鍵合點的考驗最嚴苛；鍵合線熱膨脹系數與芯片表面鋁層熱膨脹系數不同；芯片熱膨脹系數與DBC板不同導致的。損傷的結果主要是綁定線脫落，斷裂，芯片焊層分離。

資料來源：姜南博士

個人認為，PC功率循環是表征模塊可靠性的一個非常重要的指標，因為這個實驗積累的累積損傷模型數據很重要；在拿到汽車行駛的工況信息后；可以結合累積損傷模型和功率譜密度；通過雨流算法，直接推斷出模塊能否滿足裝車后的駕駛里程壽命（30萬公里以上？）。

再來看其他幾項；

HTRB，高溫高壓反偏測試，測試IGBT芯片的耐高壓的可靠性。

HTGB，高溫門極應力測試，測試IGBT芯片門極的耐壓可靠性。

H3TRB，高溫高濕反偏測試，測試IGBT芯片在高濕環境的可靠性。

值得一提的是；如今很多半導體廠商已經不滿足于低壓80V下的H3TRB，而是直接將器件兩端的阻斷電壓提升到了80%的Vbr：HV-H3TRB，高壓高溫高濕反偏測試，這是H3TRB的更嚴苛版本，因為高濕的本質是對芯片鈍化層的一種腐蝕，而高壓會加速這種腐蝕，這個測試非常考驗芯片終端區和鈍化層的能力。

所以，電動汽車電驅動用模塊可靠性測試主要包括以上測試項點；

個人認為，每個項點都很重要，但是閱讀排序可以分先后：PCsec，PCmin，HTGB，H3TRB，HTRB，TST，VVF。。。

當然，如果產品是一個系列，那么有許多項目是可以省略掉的；比如一個新產品只是進行了芯片升級；那么只需要做和芯片電相關的PCsec，PCmin，HTGB，HTRB，H3TRB即可

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