来自：原创 孙辉波  英飞凌工业半导体 

       为了保证产品的耐久性能，也就是产品使用的寿命。IGBT模块厂家在产品定型前都会做一系列的可靠性试验，以确保产品的长期耐久性能。一般常见的测试的项目如下图所示。

       这出自一份英飞凌关于3300V IHV-B封装产品系列的产品认证报告Product Qualification Report。这个报告里的测试项目，除了ESD静电测试以外，都是和IGBT模块的寿命相关的。寿命相关测试可以分成两部分，一部分是对于芯片本身寿命的考核，另一部分是对机械连接的考核。其中对芯片本身寿命的考核有如下内容：

• HTRB，高温高压反偏测试，测试IGBT芯片的耐高压的可靠性。

• HTGB，高温门极应力测试，测试IGBT芯片门极的耐压可靠性。

• H3TRB，高温高湿反偏测试，测试IGBT芯片在高湿环境的可靠性。

• HV-H3TRB，高压高温高湿反偏测试，这是H3TRB的更严苛版本，因为高湿的本质是对芯片钝化层的一种腐蚀，而高压会加速这种腐蚀。
  

       上述几条主要是评估芯片的耐久性，在这些测试条件下，只要时间足够长，芯片肯定会坏的。

对于IGBT模块来说，模块外部是外壳和金属端子，内部不仅有芯片，还有绑定线，还有绝缘陶瓷衬底，还有焊接层，我们统称机械连接。那如何评估这些机械连接的耐久性呢？这就是功率循环，热循环，热冲击，以及振动测试。

什么是功率循环？

        功率循环power cycling顾名思义就是让芯片间歇流过电流产生间隙发热功率，从而使芯片温度波动。因为热源为芯片自身发热，所以一般称之为主动加热。功率循环的周期一般为3~5秒。

       功率循环对IGBT模块损伤的机理，主要是铜绑定线热膨胀系数与芯片表面铝层热膨胀系数不同，芯片热膨胀系数与DBC板不同导致的。损伤的结果主要是绑定线脱落，断裂，芯片焊层分离。

芯片焊层的分离有两种模式，含铅的焊层一般从边缘向中心逐渐分离，而锡银材料的焊层一般从中心向边缘逐渐分离。

如何进行功率、热循环测试？

       IEC60749-34描述了可靠性实验电路连接的方法，而IEC60747-9描述了IGBT参数的测试方法，以及失效标准的判据。对于功率循环，如果器件的导通压降超过初始值的5%或者热阻超过初始值的20%，即判定为失效。

       然而，业界的功率循环测试加载的方法并不统一，Impact of Test control Strategy on Power Cycling Lifetime这篇文章中论述了四处加载方法：

1. 恒定的导通及关断时间：在测试过程中始终保持恒定的导通时间，关断时间及导通电流。

2. 恒定的壳温Tc波动：逐渐关少导通的时间维持恒定的壳温波动 

3. 恒定的功率Pv：在测试过程中，通过减少导通电流来始终保持恒定的功率

4. 恒定的结温Tj波动：在测试过程中，减少导通的时间来维持恒定的结温波动

     下图是测试结果，可以看出四种测试方法对用一种IGBT模块的测试结果相差非常大。采用恒定的导通及关断时间，器件在35000个cycle时就失效了，第二种恒定壳温的方法在45000 cycle时失效，第三种恒功率法大概在不到70000个cycle时失效，而使用第四种恒结温法的话，器件寿命可以达到95000个cycle以上。这个结果也是比较好理解的，我们知道，功率循环的次数与结温波动量密切相关，随着功率循环的进行，被测器件导通压降及热阻势必上升，如果导通时间及导通电流恒定的话，那么在老化后期器件结温会高于测试初期，器件所能承受的功率循环次数必然会少于恒定结温法。