浅谈车规级功率模块测试

* 本文来源： 碳化硅芯观察

* 本文作者：广东能芯半导体科技有限公司姜南 博士

▍写在前面

——在功率半导体器件“上车”之后

近年来，在新能源汽车（以混动汽车为起点）得到资本、政府与消费者的认可之后，功率半导体器件作为其电能转换的核心，也成为了资本市场的宠儿-

尤其是特斯拉引入SiC功率器件之后。从英飞凌、三菱、安森美、意法半导体、中车时代电气等公司修炼多年的各路英豪在目前的车规级功率半导体器件市场内各显神通，部分希望通过借鉴英飞凌的Hybridpack模块的封装形式来切入标准化的电驱应用领域；

另外一部分则另辟蹊径，通过引入双面冷却设计与环氧树脂塑封技术，希望能登临技术高峰，实现模块可靠性与性能的降维打击。

而器件可靠性测试标准则成为验证以上产品是否有能力“上车”的不二指标。

▍车规级可靠性测试标准有哪些
目前备客户所认可的功率半导体器件可靠性测试标准有两种，即AQG-324与AEC-Q101，分别代表着模块与单管两种器件的测试要求。

至于其他由国内各单位、团体等机构提出的可靠性测试标准都基本源于以上两个标准的内容。

在客户询问器件对应的可靠性验证标准时，笔者一般会推荐AQG-324，因为其在序言中严格限制了该标准的适用领域：“This document defines requirements, test conditions and tests for validating properties, including the lifetime of power electronics modules and equivalent special designs based on discrete devices, for use in power electronics converter units (PCUs) of motor vehicles up to 3.5 t gross vehicle weight.” 

这也印证了笔者一直推广的概念，在“车规级功率半导体器件测试标准”中，“车”是主题，而“半导体器件”是手段。

任何芯片的更改（SiC或GaN的应用）与封装结构及材料的使用（双面冷却结构的应用）仅能增加测试项目或更替测试方法，而不能改变体系对器件的可靠性要求。

▍AQG-324标准说了什么
AQG-324标准内包含四种类的测试，分别是模块测试（QM）、特性测试（QC）、环境测试（QE）与寿命测试（QL）。

标准内的测试项目通过模拟器件在实际使用情况所受到的各种类型应力，老化器件封装与芯片的薄弱点，从实现器件实际使用寿命的加速验证。

模块测试（QM）主要通过检测器件的静态电学参数、互连层与外观缺陷从而确保器件符合进行下一步测试的基本前提要求以及测试后的功能性指标。

特性测试（QC）主要用于验证器件的动态电学特性、短路特性、热阻与绝缘耐压特性，从而评估器件的产品品质。

环境测试（QE）通过采用温度变化条件以及机械振动/冲击来验证功率器件在车辆中的环境适应性。 

在2021年版本的QE-01 Thermal Shock（TST）中，不再强求两厢式/吊篮式的温度冲击测试方案，一箱体式温度循环或三箱体式温度冲击方案在效果上也被认定为与之等同。其基本的测试要求如下表所示。 

如果客户对于产品在环境温度测试中表现有疑虑（多为塑封器件），则笔者会推荐其借鉴《QC/T 1136-2020 电动汽车用绝缘栅双极晶体管模块环境试验要求及试验方法》。

在此标准中，温度冲击与温度循环测试都纳入了考核指标。

在笔者所操作的QE-01 Thermal Shock（TST）中，热电偶将粘贴于器件底部（或模块散热器内部）用于测试器件温度是否在温度箱的温度变换的时间范围内达到tdwell>15min的基本要求。

因为某些客户强烈要求在1个小时内完成1个高低温冲击的循环次数，因此，箱体的高/低极限温度设定将远超过器件最高或最低的储存温度，从而极易在1000个循环之内造成器件损坏。故而，笔者建议客户在TST实验中，宁可通过延长恒温时间而不是增加箱体温度来达到实验要求。

在寿命测试（QL）中，分别考量器件在极限温度（高温/低温）、长时间耐压（HTRB/HTGB/H3TRB）与多次开关循环（power cycling）条件下的失效。其中，功率循环测试（power cycling）为AQG-324标准中操作难度最高的测试项目，且具有最蹊跷的判定要求。

▍功率循环是什么？
功率循环测试（power cycling）的原理很简单：通过导入电流使芯片发热，然后在关断电流的情况下使芯片降温，如此反复，在不断的造成器件内部温度不均匀分布结合器件封装材料物理特性的差异（例如热膨胀系数CTE）造成器件内部的互联结构的逐渐老化从而最终造成器件的失效。

下图为功率循环测试过程中电流导通与芯片温度变化的示例。

 下图为功率循环测试（power cycling）中，器件内部温度分布以器件形变情况。

在功率循环测试（power cycling）过程中，通过采集器件热阻参数与正向导通电压来确定器件是否损坏。在测试过程中，如果发现器件正向导通电压的突然升高情况，则表明器件内部的键合线发生了脱落或者断裂的情况。如果热阻参数升高，则表明器件在散热路径上出现损伤。

在功率循环测试（power cycling）中的失效判定如下所示，其包含键合线失效与焊料层失效等多种失效模式。

功率循环测试（power cycling）是各类型测试标准中必备项目，然而其他标准与AQG-324的要求最大的不同之处在于AQG-324中并没有规定功率循环测试的寿命要求。AEC-Q101标准要求如下：

其中，AEC-Q101标准是笔者最不推荐作为功率循环测试判定指标的，因为在其标准设立之时，功率半导体器件还并未应用于新能源车的主驱部分。

中国汽车行业标准确立秒级与分钟级功率循环的测试指标，其中分钟级测试借鉴了AEC-Q101的测试要求。

AQG-324标准对功率循环的要求并不以具体的循环次数作为判定标准，而是需要在不同时间参数与温度参数的条件下验证产品方所提出的寿命模型（lifetime model）。

大部分客户对于寿命模型的建立都比较陌生，对于不同产品间的寿命模型的比较方案也无经验。因此对于功率循环测试方案的设定成为AQG-324标准中重点。

写在最后

实际上，功率半导体器件如何达到“上车”的要求上，整个产业还处于一个朦胧的状态。不过，当前有不少车企亲自下场入局功率半导体器件市场，相关测试标准的细化与统一也将进行的更快，毕竟车规级标准的最终目的还是为车企服务。