合肥IGBT及*三代半导体器件静态参数测试 IEC 60747-15

IGBT的应用
下面以高铁和纯电动汽车的应用来说明IGBT可靠性要求：
高铁常用的IGBT是1500A/3300V焊接型模块，一列长编组由256只模块组成，包括9216片芯片，折算芯片面积约为1.68㎡，拥有接近1.5亿个IGBT元胞，只要其中一个元胞失效，这列高铁就会出现故障，因此对IGBT可靠性要求非常高。
而汽车用IGBT功率小很多，主要用于电机驱动、DC/DC升压变换器、双向DC/AC逆变器，以及充电端的DC/DC降压变换器，电机控制器用一个6单元模块，这种IGBT包括36片芯片，约240万个元胞，任何一个元胞出故障，汽车也会出现故障，对IGBT的可靠性要求也非常高。除此之外，新能源汽车对功率半导体在损耗、功率密度以及成本上也有着更高的技术需求。
目前来看，并不是所有器件都能应用于新能源汽车。新能源汽车中IGBT面临着复杂的使用环境和应用工况：一是车载工况功率循环波动比高铁还要复杂；二是长期处于高震动、高湿度、高温度的工作环境；三是装配体积、重量和制造成本有严格限制；四是汽车模块的长期寿要长于20km或长于15年使用寿命。
功率半导体的技术要求
汽车级功率半导体模块标准长期缺失，直到近几年才有一些标准可以参考。汽车IGBT一是要满足汽车级标准LV324/AQG324的要求，二是中国IGBT联盟和中关村宽禁带联盟等团体标准。这些标准主要在温度冲击、功率循环、温度循环、结温等与全生命周期可靠性相关的一些方面提出了更高的标准
本标准定义了功率模块所需验证的测试项目、测试要求以及测试条件，适用范围包括电力电子模块的使用寿命和基于分立器件的等效设计，例如用于高达3.5吨机动车辆的电力电子转换器单元(PCU)。
标准中定义的测试项目是基于当前已知的模块失效机制和机动车辆功率模块的特定使用说明文件进行编写的。
本标准列出的测试项目、测试要求以及测试条件，大体上适用于Si基功率半导体模块。后续发行版本将涉及替代半导体技术，如 SiC或GaN，以及新型组装和互连技术。
注：本标准功率模块测试不能代替机动车辆完整PCU测试。

AQG 324标准测试项目
AQG 324标准文件中描述的测试项目主要用于验证汽车工业率模块的特性和寿命
QM – 模块测试
栅参数
额定电流和漏电流
饱和电压
X射线、SAM/SAT
IPI/VI、OMA
QC – 模块特性测试
寄生杂散电感
热阻值
短路容量
绝缘测试
机械数据
QE – 环境测试
热冲击
Contactability
机械振动
机械冲击
QL – 寿命测试
功率循环(PCsec)
功率循环(PCmin)
高温存储
低温存储
高温反向偏压
高温栅偏置
高温高湿反向偏压
3. 引用标准
QM - 模块测试
DIN EN ISO/IEC 17025
IEC 60747-8:2010
IEC 60747-9:2007
DIN EN 60747-15:2012
IEC 60749-5:2003
IEC 60749-6:2002
IEC 60749-34:2011
IEC 60749-25:2003
QC – 模块特性测试
IEC 60068-2-48:1982
DIN EN 60664-1
DIN EN ISO 60664-1
Appendix 1
DIN EN 60664-4
DIN EN 60664-5
QE – 环境测试
DIN EN 60069-2-6
DIN EN 60069-2-27
DIN EN 60069-2-64
QL – 寿命测试
JESD22-A119:2009
4. 标准值与标准公差
标准值
室温：TRT=23℃±5 ℃
湿度：RH=25%~75%
测试温度：Ttest=TRT
标准公差
频率：±1%
测试温度：±2%
间接测量温度：±5%
湿度：±5%
时间：+5%, -0%
电压：±2%
电流：±2%
5. QM – 模块测试
QM - 模块测试主要针对功率模块基础电学及机械性能参数进行测量，此外还包括外观缺陷。模块特征参数可能因生产波动和立测试期间施加的应力而变化。
确保功率模块功能完整
确保功率模块参数符合要求
验证功率模块的功能行为与准确性
注：QM - 模块测试是功率模块的基础实验，在进行后续QC/QE/QL实验的前/后，均需要进行QM – 模块测试，即保证在测试前/后，功率模块功能符合标准，模块本身无质量问题。
QM-01 互连层测试
测试目的
检验互连层质量（焊料、扩散焊、烧结互连）
由空洞、分层、裂纹形成的早期退化失效
测试设备
声学扫描显微镜(SAM)
QL-01 秒级功率循环(PCsec)
试验条件
负载电流加载时间：<5s
负载电流幅值：>0.85 ⋅ ICN
栅电压：典型值15V
失效准则
试验后集电-发射饱和电压升高5%
试验后热阻值升高20%
注：在测试中做至少两组对比试验，即选择两组不同的温升，温升必须比小温升高出40%，以验证靠近芯片互连的可靠性曲线(寿命曲线)。对于待测试样中的焊接点裂缝、基座、堆叠部分和外壳可通过声扫进行缺陷检查。
QL-02 分钟级功率循环(PCmin)
测试目的
通过对待测试样循环施加、关断负载电流，并将负载电流的导通时间限制在>15s范围内，达到在离芯片互连较远的互连层(chip-remote interconnection)处施加目标应力的目的。
验证或建立待测试样的寿命模型
加速模块磨损和退化(chip-remote互连)
验证模块典型失效模式：焊接分层
测试标准
IEC 60749-34:2011
试验要求
绘制寿命曲线
高温存储试验
测试目的
验证高温存储对功率模块的影响
测试标准
IEC 60749-6:2002
试验条件
试验时长：1000h
试验温度：≥125℃
试验要求
待测试样在试验后必须能保持电气功能特性的完整性
所有特性参数必须符合标准
使用声扫焊接点的分层情况
注：测试温度不低于125摄氏度。若实际试验要求**125摄氏度，则以要求为准。待测试样必须在室温下移入或移出温箱。
低温存储试验
测试目的
低温存储后会对橡胶、塑料、金属、底座、半导体材料引起脆化、裂纹形成和破裂影响。
验证功率模块在低温存储下的老化和转移效应
测试标准
JEDEC JESD-22 A119:2009
试验条件
试验时长：1000h
试验温度：≤-40℃
试验要求
待测试样在试验后必须能保持电气功能特性的完整性
所有特性参数必须符合标准
使用声扫焊接点的分层情况
注：测试温度不**-40摄氏度。若实际试验要求低于-40摄氏度，则以要求为准。待测试样必须在室温下移入或移出温箱
QM - 模块测试主要针对功率模块基础电学及机械性能参数进行测量，此外还包括外观缺陷。模块特征参数可能因生产波动和立测试期间施加的应力而变化
确保功率模块功能完整
确保功率模块参数符合要求
验证功率模块的功能行为与准确性

随着新能源汽车半导体功率电子国产化的发展，广电计量引进国际的测试技术，基于LV/AQG324认证标准，为功率半导体产业上下游企业提供功率模块电学性能，材料、器件与系统的可靠性测试以及失效分析。技术革新带来了验证技术新的挑战，广电计量以LV/AQG324认证试验为基础，积布局*三代半导体功率模块的可靠性业务领域，助力器件国产化、高新化发展。
测试周期：
2-3个月，提供全面的认证计划、测试等服务
服务内容：
广电计量失效分析实验室功率器件技术团队，拥有丰富的功率半导体器件，器件可靠性测试，以及可靠性测试设备设计制造的经验，可为您提供电学参数，可靠性测试，失效分析及定制化服务。
产品范围：
适用于MOSFET，Diode，IGBT，*三代半导体器件等元件构成的功率模块。
测试项目：
TST，V，MS，PCsec，PCmin，HTS，LTS，HTRB，HTGB，H3TRB，Lp，Rth，
测试标准：
IEC 60749-25，DIN EN 60068-2-6，DIN EN 60068-2-27，IEC 60749-34，IEC 60749-34，IEC 60749-6，JEDEC JESD-22 A119，IEC 60747-9，IEC 60747-9，IEC 60749-5，IEC 60747-15，DIN EN 60747-15
QE-环境测试：热冲击、Contactability、机械振动、机械冲击
QL-寿命测试：功率循环（PCsec）、功率循环（PCmin）、高温存储、低温存储、高温反向偏压、高温栅偏置、高温高湿反向偏压

随着半导体功率器件国产化趋势的显现以及下游应用领域需求增长的拉升,我国半导体功率器件行业蕴含着巨大的发展契机，尤其在新能源（汽车、光伏、工控）、新材料、生物、装备制造、智能电网、轨道交通、风力发电、新一代的信息技术等产业的发展，都离不开半导体功率器件的支撑。以晶闸管、MOS、IGBT、*三代半导体器件为核心的半导体功率器件更是发展*。
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